СИНХРОНИЗАЦИЯ ВРЕМЕНИ В СПУТНИКОВОМ КВАНТОВОМ РАСПРЕДЕЛЕНИИ КЛЮЧЕЙ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Временная синхронизация является одной из ключевых проблем, которые должны быть решены в процессе создания системы квантового распределения ключей (КРК). Точная синхронизация времени позволяет не только правильно присвоить порядковый номер каждому событию детектирования, но также увеличивает соотношение сигнал/шум. В спутниковой связи временная синхронизация затруднена особенно, ввиду таких факторов как высокие потери, замирание сигнала и эффект Доплера. В данной статье приводится описание простого, эффективного и надежного алгоритма для синхронизации времени. Алгоритм был протестирован в ходе реальных экспериментов по КРК между Micius, первым в мире спутником для квантовой связи, и приемной наземной станцией, расположенной на территории России. Полученная точность синхронизации лежит в диапазоне от 467 до 497 пс. Автор сравнивает свой алгоритм с использовавшимися ранее методами. Предлагаемый подход может применяться и для наземных систем КРК.

Об авторах

А. В. Миллер

Московский центр квантовых технологий

Автор, ответственный за переписку.
Email: avm@mcqt.ru

ООО “Московский центр квантовых технологий”

Москва, Россия

Список литературы

  1. Bennett C.H., Brassard G. Quantum Cryptography: Public Key Distribution and Coin Tossing // Proc. Int. Conf. of Computers, Systems & Signal Processing. Bangalore, India. Dec. 9–12, 1984. V. 1. P. 175–179.
  2. Bennett C.H., Bessette F., Brassard G., Salvail L., Smolin J. Experimental Quantum Cryptography// J. Cryptol. 1992. V. 5. № 1. P. 3–28. https://doi.org/10.1007/BF00191318
  3. Schmitt-Manderbach T., Weier H., Furst M., Ursin R., Tiefenbacher F., Scheidl T., Perdigues J., Sodnik Z., Kurtsiefer C., Rarity J.G., Zeilinger A., Weinfurter H Experimental Demonstration of Free-Space Decoy-State Quantum Key Distribution over 144 km // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 98. № 1. P. 010504 (4 pp.). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.010504
  4. Liu Y., Zhang W.-J., Jiang C., Chen J.-P., Zhang C., Pan W.-X., Ma D., Dong H., Xiong J.-M., Zhang C.-J., Li H., Wang R.-C., Wu J., Chen T.-Y., You L., Wang X.-B., Zhang Q., Pan, J.-W. Experimental Twin-Field Quantum Key Distribution over 1000 km Fiber Distance // Phys. Rev. Lett. 2023. V. 130. № 21. P. 210801 (6 pp.). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.210801
  5. Liao S.-K., Cai W.-Q., Liu W.-Y., Zhang L., Li Y., Ren J.-G., Yin J., Shen Q., Cao Y., Li Z.-P., Li F.-Z., Chen X.-W., Sun L.-H., Jia J.-J., Wu J.-C., Jiang X.-J., Wang J.-F., Huang Y.-M., Wang Q., Zhou Y.-L., Deng L., Xi T., Ma L., Hu T., Zhang Q., Chen Y.-A., Liu N.-L., Wang X.-B., Zhu Z.-C., Lu C.-Y., Shu R., Peng C.-Z., Wang J.-Y., Pan J.-W. Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution // Nature. 2017. V. 549. № 7670. P. 43–47. https://doi.org/10.1038/nature23655
  6. Liao S.-K., Cai W.-Q., Handsteiner J., Liu B., Yin J., Zhang L., Rauch D., Fink M., Ren J.-G., Liu W.-Y., Li Y., Shen Q., Cao Y., Li F.-Z., Wang J.-F., Huang Y.-M., Deng L., Xi T., Ma L., Hu T., Li L., Liu N.-L., Koidl F., Wang P., Chen Y.-A., Wang X.-B., SteindorferM., Kirchner G., Lu C.-Y., Shu R., Ursin R., Scheidl T., Peng C.-Z., Wang J.-Y., Zeilinger A., Pan J.-W. Satellite-Relayed Intercontinental Quantum Network // Phys. Rev.Lett. 2018. V. 120. № 3. P. 030501 (4 pp.). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120. 030501
  7. Chen Y.-A., Zhang Q., Chen T.-Y., Cai W.-Q., Liao S.-K., Zhang J., Chen K., Yin J., Ren J.-G., Chen Z., Han S.-L., Yu Q., Liang K., Zhou F., Yuan X., Zhao M.-S., Wang T.-Y., Jiang X., Zhang L., Liu W.-Y., Li Y., Shen Q., Cao Y., Lu C.-Y., Shu R., Wang J.-Y., Li L., Liu N.-L., Xu F., Wang X.-B., Peng C.-Z., Pan J.-W. An Integrated Space-to-Ground Quantum Communication Network over 4,600 Kilometres // Nature. 2021. V. 589. № 7841. P. 214–219. https://doi.org/10.1038/s41586-020-03093-8
  8. Yin J., Cao Y., Li Y.-H., Liao S.-K., Zhang L., Ren J.-G., Cai W.-Q., Liu W.-Y., Li B., Dai H., Li G.-B., Lu Q.-M., Gong Y.-H., Xu Y., Li S.-L., Li F.-Z., Yin Y.-Y., Jiang Z.-Q., Li M., Jia J.-J., Ren G., He D., Zhou Y.-L., Zhang X.-X., Wang N., Chang X., Zhu Z.-C., Liu N.-L., Chen Y.-A., Lu C.-Y., Shu R., Peng C.-Z., Wang J.-Y., Pan J.-W. Satellite-Based Entanglement Distribution over 1200 Kilometers // Science. 2017. V. 356. № 6343. P. 1140–1144. https://doi.org/10.1126/science.aan3211
  9. Yin J., Li Y.-H., Liao S.-K., Yang M., Cao Y., Zhang L., Ren J.-G., Cai W.-Q., Liu W.-Y., Li S.-L., Shu R., Huang Y.-M., Deng L., Li L., Zhang Q., Liu N.-L., Chen Y.-A., Lu C.-Y., Wang X.-B., Xu F., Wang J.-Y., Peng C.-Z., Ekert A.K., Pan J.-W. Entanglement-Based Secure Quantum Cryptography over 1,120 Kilometres // Nature. 2020. V. 582. № 7813.P. 501–505. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2401-y
  10. Ren J.-G., Xu P., Yong H.-L., Zhang L., Liao S.-K., Yin J., Liu W.-Y., Cai W.-Q., Yang M., Li L., Yang K.-X., Han X., Yao Y.-Q., Li J., Wu H.-Y., Wan S., Liu L., Liu D.-Q., Kuang Y.-W., He Z.-P., Shang P., Guo C., Zheng R.-H., Tian K., Zhu Z.-C., Liu N.-L., Lu C.-Y., Shu R., Chen Y.-A., Peng C.-Z., Wang J.-Y., Pan J.-W. GroundtoSatellite Quantum Teleportation // Nature. 2017. V. 549. № 7670. P. 70–73. https://doi.org/10.1038/nature23675
  11. Beveratos A., Brouri R., Gacoin T., Villing A., Poizat J.-P., Grangier P. Single Photon Quantum Cryptography // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 89. № 18. P. 187901 (4 pp.). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.89.187901
  12. Stucki D., Gisin N., Guinnard O., Ribordy G., Zbinden H. Quantum Key Distribution over 67 km with a Plug&Play System // New J. Phys. 2002. V. 4. P. 41 (8 pp.). https://doi.org/10.1088/1367-2630/4/1/341
  13. Sasaki M., Fujiwara M., Ishizuka H., Klaus W., Wakui K., Takeoka M., Miki S., Yamashita T., Wang Z., Tanaka A., Yoshino K., Nambu Y., Takahashi S., Tajima A., Tomita A., Domeki T., Hasegawa T., Sakai Y., Kobayashi H., Asai T., Shimizu K., Tokura T., Tsurumaru T., Matsui M., Honjo T., Tamaki K., Takesue H., Tokura Y., Dynes J.F., Dixon A.R., Sharpe A.W., Yuan Z.L., Shields A.J., Uchikoga S., Legre M., Robyr S., Trinkler P., Monat L., Page J.-B., Ribordy G., Poppe A., Allacher A., Maurhart O., Langer T., Peev M., Zeilinger A. Field Test of Quantum Key Distribution in the Tokyo QKD Network // Opt. Express. 2011. V. 19. № 11. P. 10387–10409. https://doi.org/10.1364/OE.19.010387
  14. Wang S., Chen W., Yin Z.-Q., Li H.-W., He D.-Y., Li Y.-H., Zhou Z., Song X.-T., Li F.-Y., Wang D., Chen H., Han Y.-G., Huang J.-Z., Guo J.-F., Hao P.-L., Li M., Zhang C.-M., Liu D., Liang W.-Y., Miao C.-H., Wu P., Guo G.-C., Han Z.-F. Field and Long-Term Demonstration of a Wide Area Quantum Key Distribution Network // Opt. Express. 2014. V. 22. № 18. P. 21739–21756. https://doi.org/10.1364/OE.22.021739
  15. Wang C., Li Y., Cai W., Yang M., Liu W., Liao S., Peng C. Robust Aperiodic Synchronous Scheme for Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution // Appl. Opt. 2021. V. 60. №16. P. 4787–4792. https://doi.org/10.1364/AO.425085
  16. Shakhovoy R., Puplauskis M., Sharoglazova V., Maksimova E., Hydyrova S., Kurochkin V., Duplinskiy A. Wavelength- and Time-Division Multiplexing via Pump Current Variation of a Pulsed Semiconductor Laser—A Method of Synchronization for Quantum Key Distribution // IEEE J. Quantum Electron. 2023. V. 59. № 1. Article No. 8000110 (10 pp.). https://doi.org/10.1109/JQE.2023.3237265
  17. Calderaro L., Stanco A., Agnesi C., Avesani M., Dequal D., Villoresi P., Vallone G. Fast and Simple Qubit-Based Synchronization for Quantum Key Distribution // Phys. Rev. Appl. 2020. V. 13. №5. P. 054041 (9 pp.). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.054041
  18. Wang C.-Z., Li Y., Cai W.-Q., Liu W.-Y., Liao S.-K., Peng C.-Z. Synchronization Using Quantum Photons for Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution // Opt. Express. 2021. V. 29. № 19. P. 29595–29603. https://doi.org/10.1364/OE.433631
  19. Takenaka H., Carrasco-Casado A., Fujiwara M., Kitamura M., Sasaki M., Toyoshima M. Satellite-to-Ground Quantum-Limited Communication Using a 50-kg-Class Microsatellite //Nat. Photon. 2017. V. 11. P. 502–508. https://doi.org/10.1038/nphoton.2017.107 20. Lu C.-Y., Cao Y., Peng C.-Z., Pan J.-W. Micius Quantum Experiments in Space // Rev.Mod. Phys. 2022. V. 94. № 3. P. 035001 (46 pp.). https://doi.org/10.1103/RevModPhys. 94.035001
  20. Хмелев А.В., Дуплинский А.В., Майборода В.Ф., Бахшалиев Р.М., Баланов М.Ю., Курочкин В.Л., Курочкин Ю.В. Регистрация однофотонного сигнала от низколетящих спутников для целей спутникового квантового распределения ключей // Письма в ЖТФ. 2021. Т. 47. № 17. С. 46–49. https://doi.org/10.21883/PJTF.2021.17.51387. 18817
  21. Khmelev A.V., Duplinsky A.V., Kurochkin V.L., Kurochkin Y.V. Stellar Calibration of the Single-Photon Receiver for Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 2086. № 1. P. 012137 (5 pp.). https://doi.org/10.1088/1742-6596/2086/1/012137
  22. Khmelev A.V., Ivchenko E.I., Miller A.V., Duplinsky A.V., Kurochkin V.L., Kurochkin Yu.V. Semi-Empirical Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution Model for Realistic Receivers // Entropy. 2023. V. 25. № 4. P. 670 (14 pp.), https://doi.org/10.3390/e25040670 24. Miller A.V., Pismeniuk L.V., Duplinsky A.V., Merzlinkin V.E., Plukchi A.A., TikhonovaK.A., Nesterov I.S., Sevryukov D.O., Levashov S.D., Fetisov V.V., Krasnopejev S.V., Bakhshaliev R.M. Vector—Towards Quantum Key Distribution with Small Satellites // EPJ Quantum Technol. 2023. V. 10. Article No. 52 (20 pp.). https://doi.org/10.1140/epjqt/s40507-023-00208-8
  23. Wu Q.-L., Han Z.-F., Miao E.-L., Liu Y., Dai Y.-M., Guo G.-C. Synchronization of Free-Space Quantum Key Distribution // Opt. Commun. 2007. V. 275. № 2. P. 486–490. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2007.03.068

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».