Ключевые параметры приёмников и источников одиночных фотонов для волоконно-оптических систем квантовой криптографии: анализ параметров и методы их измерений

Развитие волоконно-оптических систем связи и передачи данных порождает ряд новых задач, среди которых особую актуальность приобретает защита информации от несанкционированного доступа. В ответ на эту потребность возникла квантовая криптография – оптические криптографические системы с квантовым распределением ключа. Такие системы обеспечивают защиту каналов связи посредством шифрования данных одноразовым секретным ключом. В основе теории, гарантирующей секретную передачу ключа, лежит принцип неопределённости Гейзенберга и теорема о запрете клонирования квантовых состояний элементарных частиц. Однако реальные образцы систем квантовой криптографии имеют уязвимости, связанные с неидеальностью используемых компонентов, в том числе оптических. Важной частью систем квантового распределения ключа являются однофотонные фотодетекторы и источники одиночных фотонов. Проанализированы основные виды атак на аппаратуру квантового распределения ключей и выделены ключевые параметры источников одиночных фотонов и однофотонных фотодетекторов, знание фактических значений этих параметров может быть критически важным при доказательстве устойчивости системы к атакам. Представлены аппаратура и методы исследования источников одиночных фотонов. Особое внимание уделено источникам, работающим по принципу ослабления оптических импульсов лазера. Описана методология подходов, применяемых для получения и экспериментального подтверждения статистических характеристик источников, приведены результаты экспериментов. Представлены метод и результаты исследования квантовой эффективности и вероятностей ложных срабатываний стробируемых однофотонных фотодетекторов с волоконным входом. Все описанные методы измерений гармонизированы с рекомендациями Европейского института телекоммуникационных стандартов и в совокупности с измерительными установками позволяют измерять параметры источников и детекторов одиночных фотонов при экспертной оценке уязвимостей систем квантовой криптографии.

1. Gidney C., Ekera M. How to factor 2048 bit RSA integers in 8 hours using 20 million noisy qubits. Quantum, 5, 433 (2021). https://doi.org/10.22331/q-2021-04-15-433

2. Bennett C. H., Brassard G., Mermin N. D. Quantum Cryptography without Bell’s Theorem. Physical Review Letters, 68, 557–560 (1992). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.557

3. Молотков С. Н. Побочные каналы утечки информации в квантовой криптографии: не строго однофотонные состояния, разные квантовые эффективности детекторов, конечные передаваемые последовательности. Журнал экспериментальной и теоретической физики, 160(3), 327–365 (2021). https://doi.org/10.31857/S0044451021090029 ; https://elibrary.ru/blfboy

4. Shi Y., Lim J. Z. J., Poh H. S., Tan P. K., Tan P. A., Ling A., Kurtsiefer C. Breakdown fl ash at telecom wavelengths in ingaas avalanche photodiodes. Optics Express, 25, 30388–30394 (2017). https://doi.org/10.1364/OE.25.030388

5. Молотков С. Н. Об уязвимостях базовых протоколов квантового распределения ключей и о трех протоколах, устойчивых к атаке с «ослеплением» лавинных фотодетекторов. Журнал экспериментальной и теоретической физики, 141(5), 812–831 (2012). https://www.elibrary.ru/ozhmwj

6. Gisin N., Fasel S., Kraus B., Zbinden H., Ribordy G. Trojan-horse attacks on quantum-key-distribution systems. Physical Revie A, 73, 022320 (2006). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.73.022320

7. Кози й А. А., Лосев А. В., Заводиленко В. В., Курочкин Ю. В., Горбицевич А. А. Современные методы детектирования одиночных фотонов и их применение в квантовых коммуникациях. Квантовая электроника, 51(8), 655–669 (2021). h ttps://www.elibrary.ru/mtnbof

8. Криштоп В. Г. Источники одиночных фотонов. Обзор. Часть 1. Фотоника, 18(5), 376–396 (2024). https://doi.org/10.22184/1993-7296.FROS.2024.18.5.376.396 ; https://www.elibrary.ru/prkfki

9. Samoilenko A. A., Levin G. G. Photon number mea surement using heterodyne method for a detector’s quantum effi ciency determination based on spontaneous parametric down-conversion. Applied Optics, 58(36), 9856–9860 (2019). https://doi.org/10.1364/AO.58.009856

10. Бычков С. Б., Глазов А. И., Лушпа Я. А., Савкин К. Б., Светличный А. Б., Тихомиров С. В. Реализация однофотонного источника для калибровки приёмников, работающих в режиме счёта фотонов. Фотон-Экспресс, (5(149)), 4–13 (2018). https://www.elibrary.ru/sjhmjp

11. Мандель Л., Вольф Э. Оптическая когерентность и квантовая оптика. Пер. с англ. С. Н. Андрианова и др. Под ред. проф. В. В. Самарцева. Физматлит, Москва (2000).

12. Бычков С. Б., Королёв И. С., Тихомиров С. В. Исследования источника одиночных фотонов с помощью однофотонного фотодетектора на основе mrs-лавинного фотодиода. XIV международная конференция по фотонике и информационной оптике. Сборник научных трудов. Москва, 29–31 января 2025 г. Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, Москва, c. 475–476 (2025). https://elibrary.ru/srrhew

13. Бычков С. Б., Короле в И. С., Тихомиров С. В., Борисова А. В. Измерения квантовой эффективности однофотонных фотодетекторов с учетом вероятностей темнового счёта и послеимпульсов для задач метрологического обеспечения квантово-криптографических систем. Фотон-экспресс, (4(180)), 11–17 (2022). https://www.elibrary.ru/sttmxo

14. Бычков С. Б., Королёв И. С., Тихомиров С. В. Исследования квантовой эффективности однофотонных фотодетекторов с учётом вероятностей темнового счёта и послеимпульсов. XIV международная конференция по фотонике и информационной оптике. Сборник научных трудов. Москва, 29–31 января 2025 г., Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, Москва, c. 479–480 (2025). https://www.elibrary.ru/ecmquq

15. Бычков С. Б., Королёв И. С., Тихомиров С. В. Ключевые параметры однофотонных источников и приёмников оптического излучения в квантово-криптографических системах. XIV Международная конференция по фотонике и информационной оптике. Сборник научных трудов. Москва, 29–31 января 2025 г., Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, Москва, c. 201–202 (2025). https://www.elibrary.ru/cdnesi