Оценка скорости передачи данных в квантово-криптографических системах с различными фотодетекторами
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время мир пронизан проводами, радиоволнами и оптическими волокнами, многие системы связи используют их в качестве каналов обмена информацией. Но часто возникает необходимость в передаче какой-то очень важной секретной информации, однако при использовании традиционных каналов связи поручиться за секретность передаваемых данных невозможно. Таким образом, для обмена секретной информацией были созданы системы передачи информации по быстрому физическому каналу, секретность которого обеспечивается законами квантовой физики. Так появились квантовые криптографические системы.Квантовая криптография начала развиваться в 1984 году, а принцип кодирования, на котором основана система, был изобретен в начале века. И, как и любая молодая наука, квантовая криптография все еще содержит множество нерешенных проблем. Одной из таких проблем является скорость передачи данных в системах квантовой криптографии. Многие исследовательские группы, занимающиеся исследованиями квантовых криптографических систем, стремятся создать систему не только со 100% секретностью обмена информацией, но и с высокой скоростью передачи данных. Однако с увеличением скорости передачи данных в квантовых криптографических системах возникают проблемы, связанные с обнаружением одиночных фотонов.
СОДЕРЖАНИЕ
Обозначения и сокращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1 принципы работы счетчиков одиночных фотонов квантово-криптографических систем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1 Техническая реализация систем квантовой криптографии. . . . . . . . . . . . . 8
1.2 Принципы работы счетчиков одиночных фотонов квантово-криптографических систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Принципы работы устройств регистрации сигнала в оптических системах связи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1 Виды фотодетекторов квантово-криптографических систем . . . . . . . . . . 20
2.2 Основные характеристики фотодетекторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
2.3 Принципы работы фотодетекторов в режиме регистрации ослабленных импульсных сигналов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3 Зависимость скорости передачи данных в квантово-криптографических системах от эффективности фотодетекторов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
3.1 Параметры характеристик, влияющих на скорость передачи. . . . . . . . . . 46
3.2 Расчет скорости передачи данных в системе квантовой криптографии ..50
3.3 Построение графика зависимости скорости передачи данных от длины волоконно-оптической линии связи для нескольких типов фотодетекторов .52
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Список использованных источников. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Физика квантовой информации / Д. Бауместер [и др.] − Москва. : Постмаркет, 2003. − 375 с.
Виноградова Л., Виноградов К. Защита информации: квантовая криптография. ‒ 2004. – (Рус.). – URL:http://citforum.ru/security/cryptography/quant_crypto (дата обращения: 22.11.2022)
Лось А.Б. Криптографические методы защиты информации для изучающих компьютерную безопасность : учебник для вузов / А.Б. Лось, А.Ю. Нестеренко, М.И. Рожков. – 2-е изд., испр. – Москва: Издательство Юрайт, 2021. – 473 с.2
Rumyantsev, K.E. Modeling of Quantum Key Distribution System for Secure Information Transfer / K. E. Rumyantsev, D. M. Golubchikov − 2013, IGI Global. Copying or distributing in print or electronic forms without written permission of IGI Global is prohibited.
Leverrier, А. Composable security proof for continuous-variable quantum key distribution with coherent states // Phys. Rev. Lett. ― 2015. – 114 p.
Nam, Y., Ross, N. J., Su, Y., Childs, A. M., and Maslov, D. / Automated optimization of large quantum circuits with continuous parameters, arXiv preprint arXiv – 2017.
Квантовая криптография: принципы, протоколы, системы. Д.М. Голубчиков, К.Е. Румянцев Таганрогский технологический институт Южного федерального университета 347928, Ростовская область, г.Таганрог http://window.edu.ru/resource/801/58801/files/68358e2-st14.pdf (дата обращения 01.12.2022)
Передача конфиденциальной информации по волоконно оптическим линиям связи, защищенная от несанкционированного доступа - К.Е. Румянцев, И.Е. Хайров http://counter-terrorism.narod.ru/magazine1/hai-2.htm (дата обращения: 28.12.2022)
Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи / Р. Фриман –Техносфера, 2004. – 496 с.
Сидоров А.И. Основы фотоники: физические принципы и методы преобразования оптических сигналов в устройствах фотоники/ А.И. Сидоров. – СПб НИУ ИТМО, 2014. – 20 с.
Розеншер Э. Оптоэлектроника / Э. Розеншер, Б. Винтер Техносфера, 2004. – 592 с.
Однако недавние разработки SPAD-диодов показывают, что сегодня модули подсчета фотонов на основе этих фотоприемников могут эффективно использоваться в спектре от УФ до ближнего ИК-диапазона. Существуют также улучшенные модули SPAD для ближнего ИК диапазона длин волн. Другими преимуществами модулей подсчета фотонов на основе SPAD-диодов являются простота использования при низком напряжении питания (обычно +5 или +12 В), а также дополнительный разъем для монтажа оптоволоконных кабелей, который при желании можно оптимизировать для определенного диапазона длин волн. Несмотря на то, что большая часть усилий была сосредоточена на разработке диодов SPAD на основе кремния, растущий интерес к подсчету одиночных фотонов на больших длинах волн привел к появлению лавинных фотодиодов на основе InGaAs, работающих в режиме Гейгера. Эти лавинные фотодиоды InGaAs могут работать с эффективностью обнаружения фотонов до 20% и более, но со значительно более высокой скоростью отсчета темноты, чем аналогичные фотоприемники на основе кремния. Их разработка началась в основном благодаря достижениям в методах квантовой криптографии, которые требуют передачи данных на большие расстояния по оптоволокну. В этом приложении высокая эффективность обнаружения фотонов кремниевыми фотоприемниками компенсируется большими потерями [5] при передаче данных по оптическому волокну на более коротких длинах волн, в то время как превосходная передача данных по оптическому волокну на длине волны 1550 нм компенсирует более низкую квантовую эффективность детектора на основе InGaAs.