SINKhRONIZATsIYa VREMENI V SPUTNIKOVOM KVANTOVOM RASPREDELENII KLYuChEY

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Временная синхронизация является одной из ключевых проблем, которые должны быть решены в процессе создания системы квантового распределения ключей (КРК). Точная синхронизация времени позволяет не только правильно присвоить порядковый номер каждому событию детектирования, но также увеличивает соотношение сигнал/шум. В спутниковой связи временная синхронизация затруднена особенно, ввиду таких факторов как высокие потери, замирание сигнала и эффект Доплера. В данной статье приводится описание простого, эффективного и надежного алгоритма для синхронизации времени. Алгоритм был протестирован в ходе реальных экспериментов по КРК между Micius, первым в мире спутником для квантовой связи, и приемной наземной станцией, расположенной на территории России. Полученная точность синхронизации лежит в диапазоне от 467 до 497 пс. Автор сравнивает свой алгоритм с использовавшимися ранее методами. Предлагаемый подход может применяться и для наземных систем КРК.

About the authors

A. V Miller

Email: avm@mcqt.ru

References

  1. Bennett C.H., Brassard G. Quantum Cryptography: Public Key Distribution and Coin Tossing // Proc. Int. Conf. of Computers, Systems & Signal Processing. Bangalore, India. Dec. 9–12, 1984. V. 1. P. 175–179.
  2. Bennett C.H., Bessette F., Brassard G., Salvail L., Smolin J. Experimental Quantum Cryptography// J. Cryptol. 1992. V. 5. № 1. P. 3–28. https://doi.org/10.1007/BF00191318
  3. Schmitt-Manderbach T., Weier H., Furst M., Ursin R., Tiefenbacher F., Scheidl T., Perdigues J., Sodnik Z., Kurtsiefer C., Rarity J.G., Zeilinger A., Weinfurter H Experimental Demonstration of Free-Space Decoy-State Quantum Key Distribution over 144 km // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 98. № 1. P. 010504 (4 pp.). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.010504
  4. Liu Y., Zhang W.-J., Jiang C., Chen J.-P., Zhang C., Pan W.-X., Ma D., Dong H., Xiong J.-M., Zhang C.-J., Li H., Wang R.-C., Wu J., Chen T.-Y., You L., Wang X.-B., Zhang Q., Pan, J.-W. Experimental Twin-Field Quantum Key Distribution over 1000 km Fiber Distance // Phys. Rev. Lett. 2023. V. 130. № 21. P. 210801 (6 pp.). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.210801
  5. Liao S.-K., Cai W.-Q., Liu W.-Y., Zhang L., Li Y., Ren J.-G., Yin J., Shen Q., Cao Y., Li Z.-P., Li F.-Z., Chen X.-W., Sun L.-H., Jia J.-J., Wu J.-C., Jiang X.-J., Wang J.-F., Huang Y.-M., Wang Q., Zhou Y.-L., Deng L., Xi T., Ma L., Hu T., Zhang Q., Chen Y.-A., Liu N.-L., Wang X.-B., Zhu Z.-C., Lu C.-Y., Shu R., Peng C.-Z., Wang J.-Y., Pan J.-W. Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution // Nature. 2017. V. 549. № 7670. P. 43–47. https://doi.org/10.1038/nature23655
  6. Liao S.-K., Cai W.-Q., Handsteiner J., Liu B., Yin J., Zhang L., Rauch D., Fink M., Ren J.-G., Liu W.-Y., Li Y., Shen Q., Cao Y., Li F.-Z., Wang J.-F., Huang Y.-M., Deng L., Xi T., Ma L., Hu T., Li L., Liu N.-L., Koidl F., Wang P., Chen Y.-A., Wang X.-B., SteindorferM., Kirchner G., Lu C.-Y., Shu R., Ursin R., Scheidl T., Peng C.-Z., Wang J.-Y., Zeilinger A., Pan J.-W. Satellite-Relayed Intercontinental Quantum Network // Phys. Rev.Lett. 2018. V. 120. № 3. P. 030501 (4 pp.). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120. 030501
  7. Chen Y.-A., Zhang Q., Chen T.-Y., Cai W.-Q., Liao S.-K., Zhang J., Chen K., Yin J., Ren J.-G., Chen Z., Han S.-L., Yu Q., Liang K., Zhou F., Yuan X., Zhao M.-S., Wang T.-Y., Jiang X., Zhang L., Liu W.-Y., Li Y., Shen Q., Cao Y., Lu C.-Y., Shu R., Wang J.-Y., Li L., Liu N.-L., Xu F., Wang X.-B., Peng C.-Z., Pan J.-W. An Integrated Space-to-Ground Quantum Communication Network over 4,600 Kilometres // Nature. 2021. V. 589. № 7841. P. 214–219. https://doi.org/10.1038/s41586-020-03093-8
  8. Yin J., Cao Y., Li Y.-H., Liao S.-K., Zhang L., Ren J.-G., Cai W.-Q., Liu W.-Y., Li B., Dai H., Li G.-B., Lu Q.-M., Gong Y.-H., Xu Y., Li S.-L., Li F.-Z., Yin Y.-Y., Jiang Z.-Q., Li M., Jia J.-J., Ren G., He D., Zhou Y.-L., Zhang X.-X., Wang N., Chang X., Zhu Z.-C., Liu N.-L., Chen Y.-A., Lu C.-Y., Shu R., Peng C.-Z., Wang J.-Y., Pan J.-W. Satellite-Based Entanglement Distribution over 1200 Kilometers // Science. 2017. V. 356. № 6343. P. 1140–1144. https://doi.org/10.1126/science.aan3211
  9. Yin J., Li Y.-H., Liao S.-K., Yang M., Cao Y., Zhang L., Ren J.-G., Cai W.-Q., Liu W.-Y., Li S.-L., Shu R., Huang Y.-M., Deng L., Li L., Zhang Q., Liu N.-L., Chen Y.-A., Lu C.-Y., Wang X.-B., Xu F., Wang J.-Y., Peng C.-Z., Ekert A.K., Pan J.-W. Entanglement-Based Secure Quantum Cryptography over 1,120 Kilometres // Nature. 2020. V. 582. № 7813.P. 501–505. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2401-y
  10. Ren J.-G., Xu P., Yong H.-L., Zhang L., Liao S.-K., Yin J., Liu W.-Y., Cai W.-Q., Yang M., Li L., Yang K.-X., Han X., Yao Y.-Q., Li J., Wu H.-Y., Wan S., Liu L., Liu D.-Q., Kuang Y.-W., He Z.-P., Shang P., Guo C., Zheng R.-H., Tian K., Zhu Z.-C., Liu N.-L., Lu C.-Y., Shu R., Chen Y.-A., Peng C.-Z., Wang J.-Y., Pan J.-W. GroundtoSatellite Quantum Teleportation // Nature. 2017. V. 549. № 7670. P. 70–73. https://doi.org/10.1038/nature23675
  11. Beveratos A., Brouri R., Gacoin T., Villing A., Poizat J.-P., Grangier P. Single Photon Quantum Cryptography // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 89. № 18. P. 187901 (4 pp.). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.89.187901
  12. Stucki D., Gisin N., Guinnard O., Ribordy G., Zbinden H. Quantum Key Distribution over 67 km with a Plug&Play System // New J. Phys. 2002. V. 4. P. 41 (8 pp.). https://doi.org/10.1088/1367-2630/4/1/341
  13. Sasaki M., Fujiwara M., Ishizuka H., Klaus W., Wakui K., Takeoka M., Miki S., Yamashita T., Wang Z., Tanaka A., Yoshino K., Nambu Y., Takahashi S., Tajima A., Tomita A., Domeki T., Hasegawa T., Sakai Y., Kobayashi H., Asai T., Shimizu K., Tokura T., Tsurumaru T., Matsui M., Honjo T., Tamaki K., Takesue H., Tokura Y., Dynes J.F., Dixon A.R., Sharpe A.W., Yuan Z.L., Shields A.J., Uchikoga S., Legre M., Robyr S., Trinkler P., Monat L., Page J.-B., Ribordy G., Poppe A., Allacher A., Maurhart O., Langer T., Peev M., Zeilinger A. Field Test of Quantum Key Distribution in the Tokyo QKD Network // Opt. Express. 2011. V. 19. № 11. P. 10387–10409. https://doi.org/10.1364/OE.19.010387
  14. Wang S., Chen W., Yin Z.-Q., Li H.-W., He D.-Y., Li Y.-H., Zhou Z., Song X.-T., Li F.-Y., Wang D., Chen H., Han Y.-G., Huang J.-Z., Guo J.-F., Hao P.-L., Li M., Zhang C.-M., Liu D., Liang W.-Y., Miao C.-H., Wu P., Guo G.-C., Han Z.-F. Field and Long-Term Demonstration of a Wide Area Quantum Key Distribution Network // Opt. Express. 2014. V. 22. № 18. P. 21739–21756. https://doi.org/10.1364/OE.22.021739
  15. Wang C., Li Y., Cai W., Yang M., Liu W., Liao S., Peng C. Robust Aperiodic Synchronous Scheme for Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution // Appl. Opt. 2021. V. 60. №16. P. 4787–4792. https://doi.org/10.1364/AO.425085
  16. Shakhovoy R., Puplauskis M., Sharoglazova V., Maksimova E., Hydyrova S., Kurochkin V., Duplinskiy A. Wavelength- and Time-Division Multiplexing via Pump Current Variation of a Pulsed Semiconductor Laser—A Method of Synchronization for Quantum Key Distribution // IEEE J. Quantum Electron. 2023. V. 59. № 1. Article No. 8000110 (10 pp.). https://doi.org/10.1109/JQE.2023.3237265
  17. Calderaro L., Stanco A., Agnesi C., Avesani M., Dequal D., Villoresi P., Vallone G. Fast and Simple Qubit-Based Synchronization for Quantum Key Distribution // Phys. Rev. Appl. 2020. V. 13. №5. P. 054041 (9 pp.). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.054041
  18. Wang C.-Z., Li Y., Cai W.-Q., Liu W.-Y., Liao S.-K., Peng C.-Z. Synchronization Using Quantum Photons for Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution // Opt. Express. 2021. V. 29. № 19. P. 29595–29603. https://doi.org/10.1364/OE.433631
  19. Takenaka H., Carrasco-Casado A., Fujiwara M., Kitamura M., Sasaki M., Toyoshima M. Satellite-to-Ground Quantum-Limited Communication Using a 50-kg-Class Microsatellite //Nat. Photon. 2017. V. 11. P. 502–508. https://doi.org/10.1038/nphoton.2017.107 20. Lu C.-Y., Cao Y., Peng C.-Z., Pan J.-W. Micius Quantum Experiments in Space // Rev.Mod. Phys. 2022. V. 94. № 3. P. 035001 (46 pp.). https://doi.org/10.1103/RevModPhys. 94.035001
  20. Хмелев А.В., Дуплинский А.В., Майборода В.Ф., Бахшалиев Р.М., Баланов М.Ю., Курочкин В.Л., Курочкин Ю.В. Регистрация однофотонного сигнала от низколетящих спутников для целей спутникового квантового распределения ключей // Письма в ЖТФ. 2021. Т. 47. № 17. С. 46–49. https://doi.org/10.21883/PJTF.2021.17.51387. 18817
  21. Khmelev A.V., Duplinsky A.V., Kurochkin V.L., Kurochkin Y.V. Stellar Calibration of the Single-Photon Receiver for Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 2086. № 1. P. 012137 (5 pp.). https://doi.org/10.1088/1742-6596/2086/1/012137
  22. Khmelev A.V., Ivchenko E.I., Miller A.V., Duplinsky A.V., Kurochkin V.L., Kurochkin Yu.V. Semi-Empirical Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution Model for Realistic Receivers // Entropy. 2023. V. 25. № 4. P. 670 (14 pp.), https://doi.org/10.3390/e25040670 24. Miller A.V., Pismeniuk L.V., Duplinsky A.V., Merzlinkin V.E., Plukchi A.A., TikhonovaK.A., Nesterov I.S., Sevryukov D.O., Levashov S.D., Fetisov V.V., Krasnopejev S.V., Bakhshaliev R.M. Vector—Towards Quantum Key Distribution with Small Satellites // EPJ Quantum Technol. 2023. V. 10. Article No. 52 (20 pp.). https://doi.org/10.1140/epjqt/s40507-023-00208-8
  23. Wu Q.-L., Han Z.-F., Miao E.-L., Liu Y., Dai Y.-M., Guo G.-C. Synchronization of Free-Space Quantum Key Distribution // Opt. Commun. 2007. V. 275. № 2. P. 486–490. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2007.03.068

Copyright (c) 2023 Russian Academy of Sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies