ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СЛАБЫХ КОГЕРЕНТНЫХ МНОГОМОДОВЫХ СОСТОЯНИЙ ДЛЯ ЗАДАЧ КВАНТОВОЙ КОММУНИКАЦИИ С НЕДОВЕРЕННЫМ ПРИЕМНЫМ УЗЛОМ

Чистяков В.В., Гайдаш А.А., Козубов А.В., Глейм А.В. Исследование интерференции слабых когерентных многомодовых состояний для задач квантовой коммуникации с недоверенным приемным узлом // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 6. С. 966–972. doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-6-966-972

Предмет исследования. Представлены результаты аналитического и экспериментального исследования возможности формирования квантовых бит в результате интерференции когерентных многомодовых состояний на приемном узле. Такие состояния образуются на боковых частотах в результате фазовой модуляции несущей частоты из оптического диапазона. Предполагается, что оба абонента распределены в пространстве, однако приемный узел может быть подконтролен злоумышленнику. Метод. В работе продемонстрирован метод формирования исходных состояний. Показаны их распространение по оптическому волокну и результат интерференции. Для описания использовано классическое приближение. В эксперименте измеритель мощности подключался на стороне приемного узла. Результат интерференции оптических сигналов наблюдался на четырехпортовом волоконном светоделителе с коэффициентом деления 50:50. Измеряемые величины зависят от разности фаз высокочастотных электрических модулирующих сигналов (4,8 ГГц), используемых при фазовой модуляции в кристалле ниобата лития LiNbO₃ интенсивной несущей частоты в оптическом диапазоне (1550 нм). Основные результаты. Экспериментально полученные зависимости соотносятся с результатами аналитического исследования. Наблюдается изменение мощности оптического сигнала на боковых частотах фазомодулированного излучения в результате интерференции по гармоническому закону. Видность интерференционной картины при этом достигает 97,4 %. Показано, что предметом дальнейшего исследования является построение модели в рамках терминов квантовой оптики, а также проведение экспериментов в квазиоднофотонном режиме. Практическая значимость. Результаты исследования могут найти практическое применение при формировании протоколов для систем квантовой коммуникации и построения новых типов систем. В таких системах повышенное внимание будет уделяться не только к потенциальному воздействию злоумышленника на квантовые состояния в канале, но и на подверженные атакам приемные узлы. Показано, что использование абонентами метода формирования квантовых состояний на боковых частотах позволяет извлекать информацию, а злоумышленник лишен такой возможности из-за неоднозначности результатов срабатывания приемного узла даже при обладании им.

1. Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантоваяинформация. М.: Мир, 2006. 824 с.
2. Jain N., Anisimova E., Khan I., Makarov V., Marquardt C., LeuchsG. Trojan-horse attacks threaten the security of practical quantum cryptography // New Journal of Physics. 2014. V. 16. P. 123030. doi: 10.1088/1367-2630/16/12/123030
3. Makarov V., Hjelme D.R. Faked states attack on quantum cryptosystems // Journal of Modern Optics. 2005. V. 52. N 5. P. 691–705. doi: 10.1080/09500340410001730986
4. Lydersen L., Wiechers C., Wittmann C., Elser D., Skaar J., Makarov V. Hacking commercial quantum cryptography systems by tailored bright illumination // Nature Photonics. 2010. V. 4.N  10. P. 686–689. doi: 10.1038/nphoton.2010.214
5. Lydersen L., Akhlaghi M.K., Majedi A.H., Skaar J., Makarov V. Controlling a superconducting nanowire single-photon detector using tailored bright illumination // New Journal of Physics. 2011. V. 13. P.  113042. doi: 10.1088/1367-2630/13/11/113042
6. Honjo T., Fujiwara M., Shimizu K., Tamaki K., Miki S., Yamashita T., Terai H., Wang Z., Sasaki M. Countermeasure against tailored bright illumination attack for DPS-QKD // Optics Express. 2013. V. 21. N 3. P. 2667–2673. doi: 10.1364/OE.21.002667
7. Koehler-Sidki A., Dynes J.F., Lucamarini M., Roberts G.L., Sharpe A.W., Yuan Z.L., Shields A.J. Best-practice criteria for practical security of self-differencing avalanche photodiode detectors in quantum key distribution // Physical Review Applied. 2018. V. 9. N 4. P. 044027. doi: 10.1103/PhysRevApplied.9.044027
8. Lo H.-K., Curty M., Qi B. Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution // Physical Review Letters. 2012. V. 108. N 13. P. 130503. doi: 10.1103/PhysRevLett.108.130503
9. Liu Y., Chen T.-Y., Wang L.-J., Liang H., Shentu G.-L., Wang J., Cui K., Yin H.-L., Liu N.-L., Li L., Ma X., Pelc J.S., Fejer M.M., Peng C.-Z., Zhang Q., Pan J.-W. Experimental measurement-device-independent quantum key distribution // Physical Review Letters. 2013. V. 111. N 13. P. 130502. doi: 10.1103/PhysRevLett.111.130502
10. Мазуренко Ю.Т., Меролла .М., Годжебюр Ж. П. Квантовая передача информации  спомощью поднесущей частоты. Применение кквантовой криптографии// Оптика и спектроскопия. 1999. Т. 86. № 2. С. 181–183.
11. Capmany J. Photon nonlinear mixing in subcarrier multiplexed quantum key distribution systems // Optics Express. 2009. V. 17. N 8. P. 6457–6464. doi: 10.1364/OE.17.006457
12. Capmany J., Ortigosa-Blanch A., Mora J., Ruiz-Alba A., Amaya W., Martínez A. Analysis of Subcarrier Multiplexed Quantum Key Distribution Systems: Signal, Intermodulation, and Quantum Bit Error Rate // IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronic. 2009. V. 15. N 6. P. 1607–1621. doi: 10.1109/JSTQE.2009.2031065
13. Gleim A.V., Egorov V.I., Nazarov Y.V., Smirnov S.V., Chistyakov V.V., Bannik O.I., Anisimov A.A., Kynev S.M., Ivanova A.E., Collins R.J., Kozlov S.A., Buller G. Secure polarization-independent subcarrier quantum key distribution in optical fiber channel using BB84 protocol with a strong reference // Optics express. 2016. V. 24. N 3. P. 2619–2633. doi: 10.1364/OE.24.002619
14. Gleim A.V., Chistyakov V.V., Bannik O.I., Egorov V.I., Buldakov N.V., Vasilev A.B., Gaidash A.A., Kozubov A.V., Smirnov S.V., Kynev S.M., Khoruzhnikov S.E., Kozlov S.A., Vasil'ev V.N. Sideband quantum communication at 1 Mbit/s on a metropolitan area network // Journal of Optical Technology. 2017. V. 84. N 6. P. 362–367. doi: 10.1364/JOT.84.000362
15. Gaidash A.A., Kozubov A.V., Chistyakov V.V., Miroshnichenko G.P., Egorov V.I., GleimA.V. Security conditions for sub-carrier wave quantum key distribution protocol in errorless channel // Journal of Physics: Conference Series. 2017. V. 917. N 6. P. 062014. doi: 10.1088/1742-6596/917/6/062014
16. Kozubov A., Gaidash A., Miroshnichenko G. Finite-key security for quantum key distribution systems utilizing weak coherent states. arXiv preprint//arXiv:1903.04371. 2019.
17. Miroshnichenko G.P., Kozubov A.V., Gaidash A.A., Gleim A.V., Horoshko D.B. Security of subcarrier wave quantum key distribution against the collective beam-splitting attack // Optics express. 2018. V. 26. N 9. P. 11292–11308. doi: 10.1364/OE.26.011292
18. Gaidash A., Kozubov A., MiroshnichenkoG. Methods of decreasing the unambiguous state discrimination probability for subcarrier wave quantum key distribution systems // Journal of the Optical Society of America B: Optical Physics. 2019. V. 36. N 3. P. B16–B19. doi: 10.1364/JOSAB.36.000B16
19. Chistiakov V., Huang A., Egorov V., Makarov V. Controlling single-photon detector ID210 with bright light // Optics Express (in print).

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License