ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМЫ КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧА НА ОСНОВЕ ПРОТОКОЛА B92
Аннотация
Исследовано влияние параметров функциональных элементов на энергетические,
временные и вероятностные характеристики системы квантового распределения ключа
(КРК) на основе протокола B92. Построены зависимости вероятности записи правильного
и ошибочного битов в сырую квантовую ключевую последовательность от длины волокон-
но-оптической линии связи (ВОЛС) и использовании 4-х типов лазеров (EML, DFB, VCSEL,
FP) и фотоприёмных модулей (id201; id210; id220; id230). Установлено, что, изменения
вероятности записи правильного бита в сырую квантовую ключевую последовательность
значительно более весомы, чем изменения вероятности записи ошибочного бита (50,9 раза
против 3,3 раза при ширине спектра лазера 80 пм и изменении протяжённости ВОЛС с 10
до 100 км). Это связано с тем, что с ростом протяжённости ВОЛС резко растёт веро-
ятность отсутствия регистрации на приёмной станции фотонов или импульсов темново-
го тока (ИТТ). Числовой материал указывает на прямую пропорциональную зависимость
вероятности записи ошибочного бита от частоты генерации шумовых импульсов одно-
фотонных лавинных фотодиодов (ОЛФД). Так, при увеличении частоты появления ИТТ в
60 раз (с 100 до 6000 Гц) вероятность записи ошибочного бита также увеличивается в
60 раз (например, при длине ВОЛС 100 км – 6,39 против 383,3). Установлено, что средне-
квадратичное отклонение (СКО) времени задержки фотона прямо пропорционально длине
ВОЛС и ширине спектра лазера. При ширине спектра лазера 10 пм и увеличении длины
ВОЛС с 10 до 100 км (в 10 раз) среднеквадратичное отклонение времени задержки фотона
также увеличивается в 10 раз (с 4,16 до 41,6 пс). Для достижения наилучших характери-
стик системы КРК в целом целесообразно использование лазера с минимальной шириной
спектра излучения, например, EML-лазера. Однако EML-лазеры считаются самыми слож-
ными и дорогостоящими из рассмотренных типов лазеров, поэтому использование
EML-лазеров значительно повышает стоимость всей системы КРК.
Литература
Translated by Rachael Thew. Oxford: University Press, Mar 2006, 125 p.
2. Fizika kvantovoy informatsii: Kvantovaya kriptografiya. Kvantovaya teleportatsiya.
Kvantovye vychisleniya [Physics of Quantum Information: Quantum Cryptography. Quantum
teleportation. Quantum computing], ed. by D. Boumeystera, A. Ekerta, A. TSaylingera, transl.
from eng. by S.P. Kulik, E.A. Shapiro. Moscow: Postmarket, 2002, 376 p.
3. Gisin N., Ribordy G., Tittel W., Zbinden H. Quantum cryptography, Reviews of Modern Physics,
2002, Vol. 74, No. 1, pp. 145-195.
4. Rostelekom ob"yavil o vnedrenii kvantovoy kriptografii na svoikh setyakh [Rostelecom announced
the introduction of quantum cryptography on its networks]. Available at:
https://tass.ru/ekonomika/5685597 (accessed 17 October 2018).
5. Rumyantsev K.E. Sistemy kvantovogo raspredeleniya klyucha [Systems of quantum key distribution:
monograph]. Taganrog: Izd-voTTI YuFU, 2011, 264 p.
6. Bennett C., Brassard G. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing. Proceedings
of IEEE international conference on computers, systems and signal processing. Bangalore.
India. New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 1984, pp. 175-179.
7. Shor P.W., Preskill J. Simple proof of security of the BB84 quantum key distribution protocol.
Physical Review Letters, 2000, Vol. 85, pp. 441-444.
8. Mironov Y.K., Rumyantsev K.E. Single-Photon Algorithm for Synchronizing the System of
Quantum Key Distribution with Polling Sections of a Fiber-Optic Line. Futuristic Trends in
Networks and Computing Technologies, 2020, pp. 87-97. DOI: https://doi.org/10.1007/978-
981-15-4451-4_8.
9. Rumyantsev K.E. Sinhronizatsiya v sisteme kvantovogo raspredeleniya klyucha s
avtomaticheskoy kompensatsiey polyarizatsionnykh iskazheniy [Synchronization in a quantum
key distribution system with automatic compensation of polarization distortions].
Telekommunikatsii [Telecommunications], 2017, No. 2, pp. 32-40.
10. Rumyantsev K.E., Plenkin A.P. Bezopasnost' rezhima sinhronizatsii sistemy kvantovogo
raspredeleniya klyuchey [Security of the synchronization mode of a system of quantum key
distribution]. Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences],
2015, No. 5 (166), pp. 135-153.
11. Kurochkin V.L. i dr. Eksperimental'nye issledovaniya v oblasti kvantovoy kriptografii [Experimental
research in the field of quantum cryptography], Fotonika [Photonics], 2012, Vol. 5,
pp. 54-66.
12. Rumyantsev K.E., Plenkin A.P. Sinhronizatsiya sistemy kvantovogo raspredeleniya klyucha pri
ispol'zovanii fotonnykh impul'sov dlya povysheniya zashchishchyonnosti [Synchronization of
the system of quantum key distribution when using photon pulses to increase security].
Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2014, No. 8,
pp. 81-96.
13. Rumyansev K.E., Plenkin A.P. Preliminary Stage Synchronization Algorithm of Autocompensation
Quantum Key Distribution System with an Unauthorized Access Security. International Conference
on Electronics, Information, and Communications (ICEIC), 2016. Vietnam, Danang. pp. 1-4. DOI:
10.1109/ELINFOCOM.2016.7562955. WOS:000389518100035. IDS: BG5KP.
14. Rumyansev K., Rudinsky E. Parameters of the two-stage synchronization algorithm for the
quantum key distribution system. Proceedings of the 10th International Conference on Security
of Information and Networks (SIN’17), 2017, pp. 140-147. DOI: 10.1145/3136825.3136888.
15. Rumyantsev K..E., Shakir H.H. Proektirovanie sistemy kvantovogo raspredeleniya klyucha s
interferometrami Makha-Tsendera: ucheb. posobie [Designing a quantum key distribution system
with Mach-Zehnder interferometers: a tutorial]. Rostov-on-Don; Taganrog: Izd-vo YuFU,
2020, 108 p.
16. Rumyantsev K.E. Kvantovye tekhnologii v telekommunikatsionnyh sistemakh: uchebnik
[Quantum technologies in telecommunication systems: textbook]. Rostov-on-Don; Taganrog:
Izd-vo YuFU, 2021, 346 p.
17. Lazernye diody Fabri-Pero [Fabry-Perot laser diodes]. Available at: http://www.electroncom.ru/
product/nanoplus/fp_diodes.php (accessed 10 January 2022).
18. Poverkhnostno-izluchayushchie lazery s vertikal'nym rezonatorom [Surface-emitting lasers
with a vertical cavity]. Available at: http://msd.com.ua/optoelektronika/poverxnostnoizluchayushhielazery-
s-vertikalnym-rezonatorom-vcsel/ (accessed 10 January 2022).
19. Lazery s vneshnim rezonatorom [External cavity lasers]. Available at:
http://fmnauka.narod.ru/lazery_s_vneshnim_rezonatorom.pdf (accessed 10 January 2022).
20. Osnovnye parametry i sertifikatsiya opticheskikh SFP module [Main parameters and ce rtification
of optical SFP modules]. Available at: https://deps.ua/knowegable-baseru/
articles/1961-osnovnye-parametry-i-sertifikatciia-opticheskikh-sfp-modulei.html (accessed
10 January 2022).
