Разработана программа для квантового распределения ключей в беспроводной связи

Сегодня существует множество коммерческих компаний, предлагающих оборудование для реализации КРК в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). Системы КРК в свободном пространстве, такие как атмосферные оптические линии связи (АОЛС) имеют ряд преимуществ, но пока еще не нашли широкого применения из-за отсутствия серийных устройств, реализующих технологию КРК в атмосфере.

Устройства квантовых коммуникаций в свободном пространстве пока существуют только в виде экспериментальных стендов, предназначенных для решения конкретных научных задач. Существуют примеры систем, использующих горизонтальные атмосферные трассы и искусственные спутники Земли, но они пока не готовы к практическому применению из-за ряда нерешенных технических проблем. Однако, несмотря на все сложности, перспективы развития КРК в свободном пространстве выглядят весьма многообещающе. Одним из наиболее интересных решений является модульный подход, при котором серийные терминалы АОЛС соединяются с коммерческими блоками КРК, разработанными для ВОЛС. Такое решение предложили учёные МТУСИ.

«Это позволяет минимизировать временные и материальные издержки. При этом необходимо учитывать, что простое сопряжение разных устройств не всегда позволяет выполнять устойчивое распределение квантовых ключей с необходимой скоростью. Для компенсации динамических потерь на атмосферных трассах можно использовать методы адаптивной оптики, кроме этого следует дополнительного учитывать фоновые засветки, что требует проведения системных исследований влияния многочисленных факторов на скорость формирования квантового ключа на атмосферных трассах», — отметил Сергей Юрьевич Казанцев, доктор физико-математических наук, профессор кафедры НТС МТУСИ.

На базе МТУСИ создан аппаратно-программный комплекс для исследования технологии квантового распределения ключей (КРК) в беспроводных системах связи на основе серийных модулей.

«Общая схема комплекса состоит из двух оптических модулей приёма и передачи сигнала в открытом пространстве, учебной установки EMQOS 1.0 и волоконно-оптических кабелей. Терминалы атмосферной оптической линии связи установлены на крышах двух корпусов МТУСИ, а учебная установка подключена к одному из них через волоконно-оптический кабель. Расстояние между модулями составляет 180 метров, а высота их размещения над поверхностью земли — около 30 метров. В учебной установке EMQOS 1.0 используется двухпроходная схема для передачи квантового ключа по протоколу BB84 с фазовым кодированием. Это позволяет исследовать влияние атмосферных условий на стабильность передачи квантовых ключей и разработать методы компенсации возникающих помех», — рассказал доцент, кандидат технических наук Юрий Миронов.

Комплекс позволяет исследовать влияние динамических потерь на атмосферную трассу, а также влияние фоновых засветок на процент битовых ошибок и скорость распределения квантового ключа.

«Для этого в комплекс вместо EMQOS 1.0 подключались другие устройства: источник излучения с длиной волны 1530-1550 нанометров, два фотоприемника, а также спектрометр, при помощи которых удалось проверить корреляцию оптических потерь в квантовом канале и потерь в информационном и тестовом каналах АОЛС при различных погодных условиях. Кроме того, это позволило контролировать фоновую засветку от естественных и искусственных источников излучения с помощью спектрометра и поляриметра», – пояснила участник экспериментов на созданном комплексе Наталия Владимировна Пчелкина, кандидат технических наук, доцент кафедры НТС.

Измерения показали, что погодные условия не оказывают заметного влияния на изменение поляризации фотонов. Однако медленный дрейф поляризации, вызванный воздействием на оптический кабель, может значительно ухудшить работу системы. Поэтому в EMQOS 1.0 были добавлены дополнительные спектральные фильтры», — рассказал Кирилл Ерохин, студент МТУСИ, лаборант учебных лабораторий кафедры НТС.

После установки стандартного коммерческого оптического фильтра перед детектором одиночных фотонов комплекса EMQOS 1.0 оказалось возможным осуществлять передачу квантового ключа на дистанцию 180 м и исследовать влияние погодных условий на скорость генерации квантового ключа.

Созданный аппаратно-программный комплекс позволяет при разных погодных условиях вести мониторинг параметров как классических, так и квантового канала связи, реализованных в свободной атмосфере, а модульная структура комплекса дает возможность подключать другое квантовое оборудование для проведения сравнительных испытаний эффективности работы систем квантовой связи в условиях реальной атмосферной трассы.

МТУСИ

58 статей

Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ) — ведущее отраслевое техническое высшее учебное заведение Центральной России по подготовке кадров для IT и телеком-индустрии, подведомственное Министерству цифрового развития, связи и массовых коммуникаций РФ. Основан в 1921 году на базе Московского электротехнического института народной связи им. В.Н. Подбельского. Ежегодно МТУСИ выпускает востребованных специалистов в области связи, информационных технологий, квантовых коммуникаций, робототехники, информационной безопасности и цифровой экономики. В состав университета входят 5 факультетов, 34 кафедры, 2 филиала (Волго-Вятский и Северо-Кавказский), Колледж телекоммуникаций, Музей электросвязи, Квантовый центр, Центр робототехники, Лаборатория AR/VR, Центры заочного обучения бакалавров и магистров, Центр индивидуального обучения.

Показать больше