Polythematic Online Scientific Journal of Kuban State Agrarian University
MODELLING OF OPTICAL PULSE SIGNALS IN QUANTUM CRYPTOGRAPHY COMMUNICATION SYSTEMS
V. I. Loyko, Кулиш Ольга Александровна, Шарифуллин Сергей Равильевич, Хисамов Франгиз Гильфанетдинович, Чернуха Юрий Владимирович, Пшеничный Игорь Сергеевич
Для моделирования прохождения лазерного излучения в системах квантовой криптографии необходимо знать точное значение полной дисперсии волноводов, которая приводит к уширению и уменьшению амплитуды импульса.Целью работы являлось получение зависимостей различных видов дисперсии волоконных линий в квантовых системах связи от длины волны с учетом уравнения Селмейера и моделирование оптического импульсного излучения в квантово криптографических системах.Получены зависимости материальной, волноводной и хроматической дисперсий от длины волны с учетом формулы Селмейера, которая позволяет учесть материал оптического волокна.Смоделировано распространение криптографического импульса через волоконнооптические линии связи различной протяженности It is necessary to know exact value of the full dispersion of waveguides, which leads to broadening and reduction of pulse amplitude for modeling laser radiation passage in quantum cryptography systems.The operation purpose was obtaining of dependences on a wavelength of various dispersion types according to the Sellmeier' sequationand optical pulse radiation modelling in quantum communication systems.Dependences of the material, waveguide and chromatic dispersions on length of a wave according to the Sellmeier's equation which allows to consider an optical fiber's material are received.Distribution of a cryptographic impulse through fiber-optical communication lines of various extent is simulated
Для моделирования прохождения лазерного излучения в системах квантовой криптографии необходимо знать точное значение полной дисперсии волноводов, которая приводит к уширению и уменьшению амплитуды импульса.Целью работы являлось получение зависимостей различных видов дисперсии волоконных линий в квантовых системах связи от длины волны с учетом уравнения Селмейера и моделирование оптического импульсного излучения в квантово криптографических системах.Получены зависимости материальной, волноводной и хроматической дисперсий от длины волны с учетом формулы Селмейера, которая позволяет учесть материал оптического волокна.Смоделировано распространение криптографического импульса через волоконнооптические линии связи различной протяженности It is necessary to know exact value of the full dispersion of waveguides, which leads to broadening and reduction of pulse amplitude for modeling laser radiation passage in quantum cryptography systems.The operation purpose was obtaining of dependences on a wavelength of various dispersion types according to the Sellmeier' sequationand optical pulse radiation modelling in quantum communication systems.Dependences of the material, waveguide and chromatic dispersions on length of a wave according to the Sellmeier's equation which allows to consider an optical fiber's material are received.Distribution of a cryptographic impulse through fiber-optical communication lines of various extent is simulated
На основе созданной системы одноквантовой регистрации оптического излучения предложена система передачи и приема конфиденциальных данных по волоконно-оптической линии связи. Применительно к такой системе связи экспериментально обоснован выбор двух длин волн излучения, одна из которых используется для передачи информации, а вторая – для синхронизации времени передачи и приема информации и обнаружения несанкционированного доступа к информации, создаваемого посредством макроизгибов оптического волокна. Установлены оптимальные значения мощностей оптического излучения, при которых удалось обеспечить наиболее высокую скорость передачи конфиденциальной информации и, вместе с тем, наиболее эффективно обнаруживать возможные каналы утечки этой информации.
В статье исследуется проблема обработки информации в квантовых системах с учетом присутствия квантового шума. Квантовый шум является одним из основных факторов, ограничивающих точность и эффективность квантовых вычислений и коммуникаций. Целью исследования является разработка и анализ квантовой модели, способной учитывать влияние квантового шума на обработку информации. Рассматри-ваются различные источники квантового шума, такие как шум нулевой точки, шум фо-тонов и шум квантовых измерений. Представлены основные концепции и методы для оценки и минимизации квантового шума, включая методы коррекции ошибок, контроль окружающей среды и оптимизацию квантовых состояний. Описывается разработанная квантовая модель обработки информации с учетом шума. Производится анализ влияния квантового шума на различные квантовые алгоритмы и протоколы. Также представле-ны результаты численных экспериментов, демонстрирующие эффективность предло-женной модели в условиях реалистического шумового окружения. Работа обобщает по-лученные результаты и даёт рекомендации по применению квантовой модели обработки информации с шумом в различных прикладных областях, таких как квантовые вычисле-ния, квантовая коммуникация и квантовые сенсорные системы. Работа имеет большое значение для развития практических квантовых технологий, позволяющих эффективно работать в условиях реальных шумовых режимов и повышать надежность и точность квантовых систем обработки информации. The article investigates the problem of information processing in quantum sys-tems, considering the presence of quantum noise. Quantum noise is one of the main factors lim-iting the accuracy and efficiency of quantum computing and communications. The aim of the study is to develop and analyze a quantum model that can consider the impact of quantum noise on information processing. The article discusses various sources of quantum noise, such as ze-ro-point noise, photon noise, and quantum measurement noise. Basic concepts and methods for estimating and minimizing quantum noise are presented, including error correction methods, environmental control, and optimization of quantum states. The article describes the developed quantum model of information processing considering noise effect. The influence of quantum noise on various quantum algorithms and protocols is analyzed. The authors present the results of numerical experiments, demonstrating the effectiveness of the proposed model in a realistic noise environment. The work summarizes the results obtained and puts forward recommenda-tions for the application of the quantum model of information processing with noise in various applied areas, such as quantum computing, quantum communication and quantum sensor sys-tems. The work is of significant importance for the development of practical quantum technolo-gies that allow efficient operation in real noise conditions and improve the reliability and accu-racy of quantum information processing systems.
В настоящей работе исследовалась эффективность преобразования излучения при четырехволновом взаимодействии на резонансной нелинейности в схеме с попутными волнами накачки при наличии обратной связи. При условии большого коэффициента преобразования получена система связанных дифференциальных уравнений для комплексных амплитуд сигнальной и объектной волн. Полученная система уравнений с учетом граничных условий анализировалась численным методом на основе многократного прохождения сигнальной и объектной волн через нелинейный слой в кольцевом резонаторе. Были построены зависимости амплитудного коэффициента преобразования, отличия в коэффициентах преобразования при наличии и отсутствии обратной связи от нормированной интенсивности волн накачки с учетом обратной связи на взаимодействующие волны.
Исследование статистики регистрации одиночных фотонов двумя фотодетекторами для применений в квантовой криптографии Д. Б. Третьяков 1, 2 , А. В. Коляко 1-3 , А. С. Плешков 1-3 , В. М. Энтин 1, 2 И.И. Рябцев 1, 2 , И. Г. Неизвестный 1, 4 1 Институт физики полупроводников им.А. В. Ржанова СО РАН 2 Новосибирский государственный университет 3 Институт лазерной физики СО РАН 4 Новосибирский государственный технический университет Новосибирск, Россия Аннотация Предложен метод обнаружения атаки с делением числа фотонов в квантово-криптографических системах связи по измерению распределения числа фотонов в лазерном импульсе.Вместо использования сложного фотодетектора, способного различать число зарегистрированных фотонов, мы предлагаем использовать два обычных однофотонных детектора на основе лавинных фотодиодов.Представлены результаты экспериментов по измерению числа фотонов в лазерном импульсе и их сравнение с теоретическими расчетами.Обсуждаются пределы применимости предложенного метода.Ключевые слова
В данной статье представлен комплексный анализ квантовой криптографии как перспективного направления защиты телекоммуникационных систем в условиях нарастающих угроз со стороны квантовых вычислений. Авторами рассматривается эволюция методов криптографической защиты от классических алгоритмов с открытым ключом до квантового распределения ключей (QKD), основанного на фундаментальных законах квантовой механики. В работе детально систематизированы физические принципы квантовой криптографии: принцип суперпозиции, квантовая запутанность и теорема о запрете клонирования. Особое внимание уделено протоколам QKD (BB84, E91, B92) и их практическому применению в реальных телекоммуникационных инфраструктурах. На основе анализа действующих проектов в Китае, Европе и США систематизированы текущие технологические ограничения: дальность передачи квантовых состояний, зависимость от качества оптоволоконных линий и высокая стоимость оборудования. Проведено сравнение квантовой и пост квантовой криптографии с точки зрения практической применимости для операторов связи. Результаты исследования могут быть использованы для формирования стратегии перехода телекоммуникационных инфраструктур на квантово-защищённые протоколы в горизонте 2030-2040 годов.
Методами неравновесной квантовой статистической механики смоделирован и исследован процесс высокочастотной флуоресценции двухуровневой открытой квантовой системы, обладающей постоянным электрическим дипольным моментом и взаимодействующей с нерезонансным импульсом монохроматического электромагнитного (лазерного) поля. Исследованная система может быть реализована посредством одноэлектронной асимметричной полупроводниковой квантовой точки, обладающей неравными диагональными матричными элементами оператора электрического дипольного момента в основном и возбужденном квантовых состояниях. Квантовая точка непрерывно возбуждается посредством некогерентной накачки и взаимодействует с диссипативным окружением, а также с амплитудно-модулированным импульсом, несущая частота которого намного меньше частоты оптического перехода квантовой точки. Получено явное выражение для зависящего от времени спектра интенсивности флуоресценции как функции амплитуды, длительности, фазы и частоты несущего монохроматического поля прямоугольного импульса, а также интенсивности накачки и времени наблюдения. Показано, что импульс сам по себе не вносит сколько-нибудь заметного энергетического вклада в интенсивность флуоресценции, а скорее способствует распределению энергии некогерентной накачки по совокупности спектральных пиков, которые возникают под воздействием этого импульса вместо единственного спектрального пика флуоресценции, наблюдаемого до прихода импульса и после его прохождения.