SINKhRONIZATsIYa VREMENI V SPUTNIKOVOM KVANTOVOM RASPREDELENII KLYuChEY
- Autores: Miller A.1
-
Afiliações:
- Edição: Volume 59, Nº 4 (2023)
- Páginas: 13-27
- Seção: Methods of Signal Processing
- URL: https://journals.rcsi.science/0555-2923/article/view/256422
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0555292323040022
- EDN: https://elibrary.ru/RHSPTP
- ID: 256422
Citar
Resumo
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.
Bibliografia
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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