Лавинные фотодиоды для систем квантовой криптографии

Лю Юйхан

Published Jan 1, 2025• 0 citations

Abstract

В данной выпускной квалификационной работе рассматривается применение лавинных фотодиодов (ЛФД) в качестве ключевого элемента детекторов одиночных фотонов для систем квантовой криптографии. Квантовая криптография представляет собой передовую технологию защиты информации, основанную на фундаментальных принципах квантовой механики, и требует высокоточных компонентов, способных эффективно и надежно регистрировать отдельные фотоны. В работе представлен обзор принципов работы и характеристик ЛФД, включая квантовую эффективность, частоту темновых отсчетов, вероятность послелавинных срабатываний и временное разрешение. Особое внимание уделено сравнению различных режимов работы ЛФД — линейного, Гейгера и Sub-Geiger — с точки зрения их пригодности для задач квантового распределения ключей (QKD). Экспериментальная часть работы заключалась в тестировании малошумящего полупроводникового детектора одиночных фотонов, выполненного на базе ЛФД RMY PGA-314-100, включая сборку схем измерения и цифровую обработку сигналов. Проведены измерения параметров при различных температурах, уровнях напряжения и мертвого времени. Также проведен анализ вероятности послелавинных срабатываний тремя различными методами обработки гистограмм. В основном я использую программное обеспечение Matlab. Полученные результаты демонстрируют зависимость рабочих характеристик от температурного режима и условий управления, а также подтверждают высокую эффективность применения ЛФД в системах квантовой криптографии.

DOI: 10.18720/spbpu/3/2025/vr/vr26-213

Related papers

Коллективные преобразования квантовых состояний с постселекцией и их применение в квантовой криптографии

Ivan Alekseevich Zhigal'skii, Dmitry Anatolevich Kronberg

Квантовая криптография позволяет обеспечить доказуемую секретность распределяемых криптографических ключей благодаря фундаментальным запретам квантовой механики. В то же время некоторые практические ограничения легитимных пользователей могут представлять потенциальную угрозу для стойкости протоколов квантовой криптографии. Одна из практических сложностей - использование многофотонных импульсов вместо однофотонных состояний. В настоящей работе показано, как перехватчик может использовать многофотонные посылки для построения эффективной стратегии подслушивания на протокол квантовой криптографии с фазово-временны́м кодированием. Это позволяет получить весь ключ при наличии четырех фотонов в импульсе, а не пяти, как считалось ранее. Показано, что выигрыш достигается за счет коллективных действий с многофотонными посылками, которые имеют преимущества перед индивидуальными преобразованиями над каждым из фотонов по отдельности.

Теоретическая и математическая физикаMar 1, 20250 citations

Перепутывание кубитов, индуцированное тепловым полем

Облыгина Е. С., Облыгина Е. С., Башкиров Е. К.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Построение квантового компьютера в виде реального физического прибора является фундаментальной задачей физики XXI века. Квантовый компьютер использует для вычисления не обычные (классические) алгоритмы, а квантовомеханические эффекты, такие как квантовая перепутанность. Поэтому в настоящее время особое внимание в квантовой оптике уделяется изучению перепутанных состояний. Они являются фундаментом квантовой информатики. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Исследование динамики перепутывания двух идентичных двухуровневых атомов, взаимодействующих с модой теплового поля идеального резонатора при наличии расстройки частот атомов и поля и диполь-дипольного взаимодействия. В качестве физической реализации данной модели можно рассматривать сверхпроводящие кубиты или примесные спины, в частности для сверхпроводящих кубитов, параметры диполь-дипольного взаимодействия могут на порядки отличаться от константы кубит-полевого взаимодействия. НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В квалификационной работе получены и выносятся на защиту следующие р

Jan 1, 20170 citations

Вопросы изучения квантовой запутанности студентами физических специальностей университетов

Б А Абдикамалов, Райгул Хoжаназарoва

Работа посвящена методике изучения явления квантовой запутанности в курсе квантовой механики для студентов специальности "физика". Показано, что студентам университетов важно знать о квантовой запутанности, являющейся ключевой частью квантовой механики, поскольку она необходима для понимания различных трактовок квантовой механики и будущих технологий, связанных с этой областью. Эксперименты, проведенные на интерферометре Маха-Цендера, являются одним из множества экспериментов, которые убедили физиков в том, что квантовая механика не может быть описана с точки зрения классической механики. В случае изучаемого явления фотон не следует по одной определенной траектории, а должен описываться в терминах квантовой суперпозиции множества траекторий. Предлагается изучение феномена квантовой запутанности после освоения таких тем, как постулаты квантовой механики, уравнение Шредингера, принцип суперпозиции, проблема измерения, а также после решения известных традиционных задач, касающихся квазиклассического случая. Эти темы создают необходимый фон и мотивацию для понимания концепции запутанности и её последствий для квантовых систем. В качестве экспериментальной техники предлагается демонстрация работы самого простого интерферометра Маха-Цендера, изготовленного фирмой LD Didactic GmbH. Для компьютерной демонстрации изучаемого явления используется система компьютерной алгебры Mathematica и продукты фирмы Wolfram. В результате этого становится возможным наглядно показать, что квантовые частицы могут находиться в состоянии суперпозиции, и, таким образом, используемый интерферометр является мощным инструментом для выявления фундаментальной природы квантовой механики.

Общество и инновацииJul 25, 20240 citations

Релаксация квантовой точки в среде с фотонной запрещенной зоной

Коваленко А. В., Коваленко А. В., Семин Виталий Владимирович

Объектом исследования в данной работе является квантовая точка,взаимодействующая с фотонной запрещенной зоной.Цель работы - изучение влияния фотонной запрещенной зоны нарелаксацию квантовой точки.В результате работы было получено основное уравнение релаксацииквантовой точки в фотонной запрещенной зоне. При помощи компьютерногомоделирования были получены графики, отражающие влияние измененияпараметров запрещенной зоны и фонового континуума на релаксацию.На основе результатов, полученных в ходе работы, был сделан выводоб их практическом значении для дальнейшего изучения квантовых систем.

Jan 1, 20200 citations

Исследование влияния тепловыделения на эффективность лазера на парах рубидия с оптической накачкой

Алфимова Е. Н., Алфимова Е. Н., Marsel V. Zagidullin +1 more

Объектом исследования являются тепловые эффекты в лазере на парахрубидия с оптической накачкой.Цель данной работы – исследование влияния тепловыделения наэффективность лазера на парах рубидия с оптической накачкой.Исследовано временное и пространственное распределениеконцентрации рубидия на разных уровнях энергии и температуры активнойсреды на оси трубки в зависимости от интенсивности накачки и радиусатрубки лазера. Получены значения оптической эффективности лазера приизменении плотности фотонов накачки и радиуса трубки лазера. Определенаобласть рабочих параметров лазера при которых термическое линзированиенаходится в допустимых пределах

Jan 1, 20170 citations

К теории квантовых флуктуаций в волоконных лазерах с синхронизацией мод

Leonid A. Melnikov, Yulia A. Mazhirina

Квантовые флуктуации излучения лазеров определяют их предельные характеристики (ширину линии излучения и уровень флуктуаций интенсивности), а также возможность их использования.Квантовая теория одночастотных лазеров хорошо известна [1], и предсказывает ширину линии генерации, статистику фотонов ниже и выше порога генерации.В то же время, большой интерес вызывают применения лазеров, генерирующих короткие световые импульсы за счет различных схем синхронизации продольных мод, и изучение квантовых флуктуаций в таких лазерах представляет собой важную задачу.В волоконных лазерах с синхронизацией мод, распространение световых импульсов имеет особенности, связанные с нелинейностью и дисперсией волокна, которые проявляются в квантовых флуктуациях распространяющихся импульсов [2], сжатии флуктуаций интенсивности и квантовой запутанности солитонных импульсов [3].Квантовая запутанность является основой ряда протоколов для передачи информации [4] и квантовой сенсорики [5].Критерий запутанности для световых импульсов может быть получен как информация Шмидта 1-κ [6], которая выражается через параметр Шмидта где с i -коэффициенты в разложении Шмидта: где | Ψ -вектор состояния сложной системы, выражающийся как сумма произведений базисных векторов отдельных подсистем 1 и 2 с коэффициентами c i удовлетворяющих условию нормировки Рис1.Значения параметра Шмидта κ от параметров интенсивности двух солитонных импульсов, где |ɑ 1,2 | 2 =n 1,2 -число квантов в импульсе, значения κ показаны на соответствующих кривых уровня.

Международный семинар по волоконным лазерамSep 22, 20240 citations