В статье рассматриваются существующие методы расчета атмосферных потерь в оптическом канале связи, а также новый метод, учитывающий влияние турбулентных ячеек (вихрей) атмосферы различных масштабов. В результате применения новой методики повышается точность расчета атмосферных потерь и, как следствие, точность оценки эффективности спутникового квантового распределения ключей. Сравниваются экспериментальные данные скорости генерации просеянной квантовой ключевой последовательности при нисходящем излучении между спутником и наземной станцией с результатами, полученными при помощи описанной методики оценки потерь, учитывающей влияние вихревой структуры атмосферы. The article discusses existing methods for calculating atmospheric losses, as well as a new approach that takes into account the influence of turbulent cells (vortices) of the atmosphere of various scales on the geometric parameters of the optical beam, allowing us to predict the deviation of optical radiation due to regular and random refraction. As a result, the accuracy of obtaining numerical results for calculating atmospheric losses and, as a consequence, assessing the efficiency of satellite quantum key distribution (QKD) is increased. The experimental data on the generation rate of the sifted quantum key sequence during downward radiation between the satellite and the ground station are compared with the results obtained using the described method of estimating losses, taking into account the influence of the vortex structure.
В статье рассматриваются существующие методы расчета атмосферных потерь в оптическом канале связи, а также новый метод, учитывающий влияние турбулентных ячеек (вихрей) атмосферы различных масштабов. В результате применения новой методики повышается точность расчета атмосферных потерь и, как следствие, точность оценки эффективности спутникового квантового распределения ключей. Сравниваются экспериментальные данные скорости генерации просеянной квантовой ключевой последовательности при нисходящем излучении между спутником и наземной станцией с результатами, полученными при помощи описанной методики оценки потерь, учитывающей влияние вихревой структуры атмосферы. The article discusses existing methods for calculating atmospheric losses, as well as a new approach that takes into account the influence of turbulent cells (vortices) of the atmosphere of various scales on the geometric parameters of the optical beam, allowing us to predict the deviation of optical radiation due to regular and random refraction. As a result, the accuracy of obtaining numerical results for calculating atmospheric losses and, as a consequence, assessing the efficiency of satellite quantum key distribution (QKD) is increased. The experimental data on the generation rate of the sifted quantum key sequence during downward radiation between the satellite and the ground station are compared with the results obtained using the described method of estimating losses, taking into account the influence of the vortex structure.
Рассматриваются существующие подходы к оценке влияния флуктуаций показателя преломления, вызванные перемешиванием воздушных масс с различной температурой, на устойчивость квантового канала связи. Учет влияния данного эффекта обусловлен его важностью в практических задачах, так как это напрямую влияет на надежность и доступность атмосферных каналов связи и, как результат, на точность наведения при случайных и регулярных рефракционных смещениях. В заключение подчеркивается необходимость дальнейших изысканий для разработки новых подходов в целях реализации устойчивых каналов связи и облечения процесса наведения в условиях изменяющейся атмосферы. The existing approaches to assessing the influence of refractive index fluctuations caused by mixing air masses with different temperatures on the stability of a quantum communication channel are considered. Taking into account the influence of this effect is due to its importance in practical problems, since it directly affects the reliability and availability of atmospheric communication channels and, as a result, the accuracy of targeting under random and regular refractive shifts. In conclusion, the need for further research to develop new approaches to implement stable communication channels and facilitate the targeting process in a changing atmosphere is emphasized.
Актуальность исследования обусловлена предстоящим широким внедрением квантовых технологий в существующую информационно-телекоммуникационную инфраструктуру. Эффективное внедрение невозможно без предварительного анализа и обоснования достаточности и безопасности систем квантового распределения ключей. Это в свою очередь предполагает исследование и формализованное сравнение аппаратных архитектур, положенных в основу этих систем. Эффективным инструментом для решения последней задачи является компьютерное моделирование. Цель состоит в исследовании и систематизации типовых аппаратных архитектур систем квантового распределения ключей, их моделировании и верификации созданных моделей. Объектом являются практические архитектуры систем квантового распределения ключей. Методы: математическое описание оптических систем на основе формализма Джонса, имитационное моделирование в среде Simulink Matlab. Результаты. Реализована имитационная модель типовой системы квантового распределения ключей, использующей архитектуру Plug-n-Play. Корректность модели показана путём демонстрации толерантности к искажениям поляризации при передаче в волоконно-оптическом канале связи. Созданные модели оптических компонентов в Simulink могут использоваться для построения моделей систем других архитектур.
Проведен анализ влияния атмосферных факторов на квантовую гибридную систему связи с атмосферным оптическим сегментом. Разработана модель доступности квантового атмосферного канала связи на основе оценки скорости генерации просеянного ключа, возможности приема квантов света приемником одиночных фотонов и ключевых параметров распространения оптического сигнала. Приведены результаты расчетов максимальной рабочей дальности квантовой связи для типичных погодных условий в Центральном регионе России при различных характеристиках оборудования квантовой системы связи, которые могут использоваться при проектировании всепогодных квантовых систем связи. An analysis of the impact of atmospheric factors on a quantum hybrid communication system with an atmospheric optical segment was conducted. A model for the availability of a quantum atmospheric communication channel was developed based on an assessment of the sieved key generation rate, the ability of a single-photon receiver to receive light quanta, and key optical signal propagation parameters. Calculations of the maximum operating range of quantum communication under typical weather conditions in the central region of Russia, with various characteristics of the quantum communication system equipment, are presented. These calculations can be used in the design of all-weather quantum communication systems.
В работе рассматривается алгоритм обратного распространения ошибки, адаптированного для квантовых нейронных сетей. Основное внимание уделено разработке и модификации традиционного метода обратного распространения ошибки для его применения в условиях квантовой природы данных. Анализируются теоретические аспекты, связанные с квантовыми состояниями,суперпозицией и запутанностью, а также их влияние на эффективность и корректность обучения квантовых сетей. Обоснована актуальность математического алгоритма, включая использование матриц плотности и квантовых операторов для описания и оптимизации параметров сети. Проведено экспериментальное моделирование предложенного подхода на наборах квантовых данных, которое показало высокую точность и стабильность предложенного метода. Обсуждаются ограничения алгоритма, связанные с шумами в квантовых системах и вычислительными затратами при увеличении числа кубитов. Полученные результаты демонстрируют потенциал применения разработанного алгоритма для задач оптимизации и обучения квантовых моделей, что открывает новые перспективы для дальнейшего развития квантового машинного обучения и создания гибридных классико-квантовых алгоритмов. The paper considers the algorithm of error back propagation adapted for quantum neural networks. The main attention is paid to the development and modification of the traditional method of error back propagation for its application in conditions of quantum nature of data. Theoretical aspects related to quantum states, superposition and entanglement, as well as their influence on the efficiency and correctness of training of quantum networks are analyzed. The relevance of the mathematical algorithm,including the use of density matrices and quantum operators to describe and optimize the network parameters, is substantiated. Experimental modeling of the proposed approach on quantum data sets is carried out, which showed high accuracy and stability of the proposed method. The limitations of the algorithm related to noise in quantum systems and computational costs with increasing number of qubits are discussed. The results demonstrate the potential of the developed algorithm for optimization and training of quantum models, which opens new perspectives for further development of quantum machine learning and creation of hybrid classical-quantum algorithms.
В статье рассматриваются теоретические и прикладные аспекты развития квантовой связи и квантовых сетей как одного из ключевых направлений научно‑технологического прогресса XXI века. Показано, что переход от классических телекоммуникационных систем к квантовым каналам передачи информации обусловлен не только ростом объёмов данных и требований к скорости обмена, но и принципиально новой потребностью в абсолютной криптографической защищённости информации. Квантовая связь, основанная на фундаментальных законах квантовой механики, обеспечивает качественно иной уровень безопасности, недостижимый для классических алгоритмов шифрования. Особое внимание в работе уделено концепции квантовых сетей, которые рассматриваются как основа будущего «квантового интернета», объединяющего квантовые компьютеры, сенсоры и коммуникационные узлы в единую распределённую инфраструктуру. Подробно анализируются принципы квантового распределения ключей, роль квантовой запутанности и фотонных состояний в передаче информации, а также архитектура гибридных сетей, сочетающих классические и квантовые каналы. Важным направлением исследования является анализ возможностей применения квантовой связи в военной сфере и в системах, связанных с обеспечением национальной безопасности. Рассматриваются перспективы использования квантовых сетей для защищённой связи органов военного управления, управления беспилотными и роботизированными системами, стратегических сил сдерживания, а также для противодействия современным угрозам в области радиоэлектронной борьбы и кибервойны. Делается вывод о том, что квантовые технологии способны в перспективе изменить баланс сил в информационном и технологическом противоборстве между государствами. Практическая значимость статьи заключается в систематизации современных представлений о квантовой связи и квантовых сетях, а также в формировании целостного взгляда на их роль в будущем военных и гражданских коммуникационных систем.
Статья посвящена описанию и верификации разработанной методики оценки энергетических потерь, обусловленных влиянием атмосферных явлений при реализации спутникового квантового распределения ключей (КРК), учитывающей воздействие атмосферной турбулентности для расчёта эффективности КРК в спутниковых системах квантовых коммуникаций. Применение разработанной методики в рамках численного моделирования экспериментов по КРК обеспечило повышение точности оценки показателей эффективности КРК по сравнению с существующими подходами. Разработанная и апробированная методика позволяет повысить достоверность результатов количественного расчёта энергетического бюджета спутниковых систем квантовых коммуникаций и, как следствие, улучшить прогнозирование основных показателей эффективности КРК, что способствует обеспечению технико-экономической обоснованности развёртывания отечественных глобальных квантовых коммуникационных сетей. This article describes and verifies a developed methodology for estimating energy losses due to atmospheric influences during satellite quantum key distribution (QKD) implementation. This methodology takes into account the effects of atmospheric turbulence when calculating QKD efficiency in satellite quantum communication systems. The application of the developed methodology to numerical simulations of QKD experiments has improved the accuracy of QKD efficiency estimations compared to existing approaches. The developed and tested methodology improves the reliability of quantitative energy budget calculations for satellite quantum communication systems and, consequently, improves forecasting of key QKD efficiency indicators, thereby contributing to the feasibility study for the deployment of domestic global quantum communication networks.