Использование фазовой модуляции в квантовых системах связи

Введение в квантовую коммуникацию

Квантовая связь представляет собой сдвиг парадигмы в информационной безопасности, используя фундаментальные принципы квантовой механики для обеспечения безопасной передачи данных между сторонами. В отличие от классической связи, которая опирается на биты, которые могут быть скопированы или перехвачены без обнаружения, квантовая связь использует квантовые состояния - обычно одиночные фотоны или слабые когерентные световые импульсы - для кодирования информации. Теорема о неклонировании утверждает, что неизвестное квантовое состояние не может быть идеально скопировано, в то время как акт измерения квантового состояния неизбежно нарушает его. Эти свойства позволяют квантовым системам связи обнаруживать попытки прослушивания с почти достоверностью, что делает их краеугольным камнем для будущих безопасных сетей.

Фотоны являются наиболее часто используемыми квантовыми носителями информации из-за их низкого взаимодействия с окружающей средой, что позволяет передавать на большие расстояния через оптические волокна или свободное пространство. Информация может быть закодирована в различных фотонных степенях свободы: поляризация, тайм-бин, орбитальный угловой момент или фаза. Среди них фазовая модуляция возникла как особенно универсальная и практическая техника, особенно для квантового распределения ключей (QKD) и других квантовых протоколов.

Фазовая модуляция кодирует логические биты или символы в виде дискретных фазовых сдвигов электромагнитной волны фотона. Этот подход обеспечивает высокую совместимость с существующей волоконно-оптической инфраструктурой, низкую производительность шума и способность поддерживать как дискретно-вариабельные, так и непрерывно-вариабельные схемы квантовой связи. За последние два десятилетия фазовые квантовые системы перешли от лабораторных демонстраций к коммерческим развертываниям, с расстояниями передачи более 400 км и частотой секретных ключей, достигающей десятков мегабит в секунду.

Роль модуляции в оптической коммуникации

В классической оптической связи для передачи данных используется модуляция амплитуды, частоты или фазы света. Ключинг амплитуды сдвига (ASK) и ключинг включения (OOK) просты, но страдают от высокой чувствительности к шуму и ограниченной спектральной эффективности. Ключинг сдвига фазы (PSK), особенно квадратурный PSK (QPSK) и форматы более высокого порядка, предлагает улучшенную устойчивость к шуму и большую битрейтность на символ. Однако классические фазово-модулированные сигналы все еще могут быть усилены и скопированы без обнаружения, не обеспечивая внутренней безопасности.

В квантовой связи модуляция должна удовлетворять дополнительным ограничениям. Используемые квантовые состояния должны оставаться когерентными и достаточно хрупкими, чтобы любая внешняя интерференция стала обнаруживаемой. Фазовая модуляция здесь превосходит, поскольку она манипулирует относительной фазой фотонной волновой функции, которая является непрерывной переменной, которая может быть сделана чувствительной к возмущениям. Кроме того, фаза может быть измерена с высокой точностью с использованием интерферометров, что позволяет использовать слабые когерентные состояния (WCS), которые приближаются к однофотонному поведению, будучи практически генерируемыми ослабленными лазерными диодами.

По сравнению с модуляцией поляризации фазовая модуляция менее восприимчива к эффектам бирефриренсинга в стандартных однорежимных волокнах, которые случайным образом вращают поляризацию и требуют активной компенсации. Кодирование тайм-бинов также использует фазовые различия между двумя временными интервалами, но фазовая модуляция позволяет упростить интерферометрические установки для кодирования и декодирования. Таким образом, фазовая модуляция стала доминирующим выбором для многих систем QKD, как в академических исследованиях, так и в промышленных продуктах.

Основы фазовой модуляции в квантовых системах

В квантовой оптике состояние светового режима часто описывается его сложной амплитудой, причем фаза и амплитуда (или квадратура) являются сопряженными переменными, подчиняющимися соотношению неопределенности Гейзенберга. Для когерентного состояния |α ⁇ , где α = |α |eiθ, фаза θ содержит информацию, подлежащую кодированию.Применяя известный фазовый сдвиг φ (например, с помощью электрооптического модулятора), состояние становится |α eiφ ⁇ . Приемник может затем измерить относительную фазу между входящем сигналом и локальным осциллятором (LO) с помощью гомодина или гетеродина детектирования.

Наиболее фундаментальной схемой фазового кодирования для QKD является протокол BB84 в его фазовом варианте. Здесь отправитель (Алиса) кодирует битовое значение (0 или 1) путем выбора одного из двух фазовых оснований, каждое из которых имеет два ортогональных фазовых состояния (например, 0 и π для основы 1; π/2 и 3π/2 для основы 2). Приемник (Bob) случайным образом выбирает измерительную основу (также используя фазовый модулятор для применения эталонной фазы) и обнаруживает интерференционную картину. Публично сравнивая часть своих битов, они могут перегонять безопасный ключ. Эта схема надежна и формирует основу многих коммерческих систем QKD.

Непрерывно-вариабельный (CV) QKD использует фазовую модуляцию по-разному. Вместо однофотонного детектирования CV-QKD измеряет квадратурные амплитуды (связанные как с амплитудой, так и с фазой) с помощью гомодинового детектирования. Информация кодируется путем модуляции фазы (и амплитуды) когерентного состояния, обычно с использованием гауссовской модуляции. Безопасность CV-QKD проистекает из невозможности подслушивающего устройства идеально компенсировать шум, вводимый измерением, как это диктуется принципом неопределенности.

Основные преимущества фазовой модуляции

Приложения в квантовом распределении ключей (QKD)

Наиболее зрелым применением фазовой модуляции в квантовой связи, несомненно, является Квантовое распределение ключей (QKD) . QKD позволяет двум сторонам, Алисе и Бобу, делиться случайным секретным ключом, секретность которого гарантируется законами квантовой механики.

BB84 с фазовым кодированием

Оригинальный протокол BB84 использовал поляризацию кодирования, но его фазовый вариант быстро стал популярным благодаря совместимости с волокном. В этой схеме Алиса использует асимметричный интерферометр Маха-Зендера (AMZI) для генерации двух импульсов с относительной разницей фаз. Фазовый сдвиг, применяемый Алисой, кодирует кубит. Боб использует аналогичный AMZI (с фазовым сдвигателем) для измерения входящих импульсов. Помехи на выходе Боба дают щелчки на детекторах, которые показывают значение бита, если базы совпадают. Метод приманки-состояния обычно используется для борьбы с атаками расщепления фотонов путем изменения интенсивности импульсов. Полный обзор протоколов QKD охватывает эти методы.

Непрерывно-переменная QKD (CV-QKD)

Системы CV-QKD часто используют Гауссова модуляция фазовых и амплитудных когерентных состояний.Анализ безопасности CV-QKD предполагает, что отслеживается избыток шума в канале; любое прослушивание добавляет дополнительный шум, который можно обнаружить. Фазовая модуляция в CV-QKD выполняется с использованием генераторов произвольной формы волны, приводящих в движение оптические модуляторы, позволяющие генерировать высокоскоростные ключи. Недавние полевые испытания продемонстрировали CV-QKD на сотнях километров волокна, доказав его жизнеспособность. Этот недавний препринт обсуждает междугородний CV-QKD с фазовым кодированием.

Фазовый протокол B92

Более простой протокол, B92, использует только два неортогональных состояния (например, фаза 0 и фаза π/2). Его эффективность ниже, чем BB84, но для этого требуется только одна основа, упрощающая реализацию. Кодирование фазы естественно подходит для B92, потому что неортогональные состояния могут быть получены с помощью одного модулятора фазы.

Коммерческие QKD-системы от таких компаний, как ID Quantique и Toshiba, часто используют фазово-кодированные BB84 или CV-QKD. Например, платформа Clavis3 ID Quantique использует фазовую модуляцию в конфигурации plug-and-play с автоматической стабилизацией.

Методы и компоненты реализации

Практические фазово-модулированные квантовые системы связи основаны на нескольких ключевых оптических компонентах:

Проблемы фазово-модулированной квантовой коммуникации

Несмотря на свои преимущества, фазовая модуляция в квантовой связи сталкивается с несколькими значительными препятствиями, которые необходимо преодолеть для широкого развертывания.

Фазовый шум и стабильность

Квантовое измерение фазы требует очень низкого фазового шума. Лазерная ширина линии, колебания температуры волокна и механические колебания способствуют случайным изменениям фазы. В системах на основе волокон фазовый дрейф можно моделировать как медленный процесс Винера; необходимы активные компенсационные петли с точностью до субнанометра. Для спутниковой квантовой связи атмосферная турбулентность вводит быстрые фазовые флуктуации, которые требуют адаптивной оптики или интерферометрических методов свободного пространства.

Оптическая потеря

По мере того, как фотоны перемещаются по волокну или свободному пространству, они теряются из-за поглощения и рассеяния. В дискретно- и непрерывно-вариабельном QKD потеря напрямую снижает ключевую скорость. Фазовые протоколы по своей сути не более убыточны, чем другие методы кодирования, но они позволяют обнаруживать на основе помех, которые могут работать со слабыми когерентными состояниями. Однако для расстояний за несколько сотен километров необходимы квантовые ретрансляторы. Фазово-модулированные квантовые ретрансляторы на основе запутывания и квантовой памяти являются активной областью исследований.

Несовершенства детектора

Однофотонные детекторы обладают ограниченной эффективностью, темными счетчиками и эффектами форсирования. В фазово-закодированных дискретно-вариабельных QKD темные счетчики могут имитировать действительные сигналы, приводящие к ошибкам, снижающим безопасную ключевую скорость. Все чаще используются высокоэффективные сверхпроводящие нанопроводниковые детекторы (SNSPD), но они требуют криогенного охлаждения. Для CV-QKD гомодиновые детекторы страдают от электронного шума, который необходимо калибровать и вычитать. Несовершенное обнаружение может быть использовано подслушивающим устройством, что требует тщательного моделирования безопасности.

Подслушивание контрмер

Системы, кодируемые фазой, уязвимы для конкретных атак, если они не реализованы должным образом. Например, «атака переназначения фазы» использует несовершенства в фазовом ответе модулятора. Метод «приманки-состояния» необходим для противодействия атакам деления фотонов на числа (PNS) при использовании слабых когерентных состояний. Аналогично, для CV-QKD необходимо устранить эффекты конечных размеров и лазейки калибровки. Обзор безопасности QKD предоставляет подробные модели атак.

Будущие направления и исследования

Область фазово-модулированной квантовой связи быстро развивается, и есть несколько перспективных направлений исследований.

Квантовые повторители и сети

Для расширения охвата QKD за пределы предела прямой передачи (около 500 км для волокна) разрабатываются квантовые ретрансляторы. Ключевыми методами являются фазовое запутывание и очистка. Исследования квантовых воспоминаний, которые могут хранить фотонные фазовые состояния, позволят масштабировать квантовые сети.

Спутниковая квантовая связь

Китайский спутник Micius продемонстрировал QKD на расстояниях 1200 км с использованием кодирования поляризации. Будущие миссии изучают фазовое кодирование для повышения устойчивости к атмосферной турбулентности. Фазовая модуляция с интерферометрией свободного пространства может достичь высоких ключевых показателей для глобальной безопасной связи.

Интеграция с классической коммуникацией

Мультиплексирование с разделением длины волны (WDM) позволяет квантовым и классическим сигналам делиться одним и тем же волокном, но рамановское рассеяние и четырехволновое смешивание могут вводить шум. Фазово-модулированные квантовые сигналы, особенно CV-QKD, менее чувствительны к определенным классическим перекрестным помехам, потому что они используют обнаружение гомодина, которое может отфильтровать классические носители. Исследования сосредоточены на сосуществовании с мощными классическими каналами.

Высокоразмерное кодирование фазы

Использование более двух фазовых уровней увеличивает информацию на фотон и может улучшить помехоустойчивость. Например, было продемонстрировано кодирование фазы тайм-бин с четырьмя или восемью измерениями. Квантовые состояния более высоких измерений также предлагают фундаментальные преимущества безопасности против определенных стратегий прослушивания.

Стремление к практическим, комнатно-температурным и полевым системам продолжается. Компании разрабатывают чип-интегрированные фазовые модуляторы и кремниевые фотонные QKD-приемопередатчики, которые снижают стоимость и размер. Эти достижения обещают, что фазово-модулированная квантовая связь будет играть ключевую роль в квантовом Интернете будущего.

Заключение

Фазовая модуляция — это универсальная и мощная техника, лежащая в основе современных систем квантовой связи. От базового протокола BB84 до продвинутых непрерывно-вариабельных схем способность кодировать информацию в фазе квантовых состояний обеспечивает доказуемо безопасное распределение ключей, высокую скорость передачи данных и совместимость с существующей волоконной инфраструктурой. Пока остаются такие проблемы, как фазовый шум, потери и дефекты детекторов, продолжающиеся исследования в квантовых ретрансляторах, спутниковых каналах и интегрированной фотонике, неуклонно преодолевают эти барьеры.

По мере того, как квантовая связь переходит от лабораторных экспериментов к сетям реального мира, фазовая модуляция будет оставаться ключевой технологией, обеспечивающей возможность. Сочетание безопасности, эффективности и практичности делает ее необходимой для построения сетей квантовой безопасности связи завтрашнего дня. Организации и исследователи, стремящиеся развернуть квантово-безопасные решения, должны рассматривать системы на основе фазы как проверенный и масштабируемый выбор.