Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В рамках работ по проекту было проведено подробное теоретическое исследование системы «управляющий лазер – ведомый лазер» в контексте прямой фазовой модуляции излучения (импульсов) ведомого лазера. Полученные результаты показывают, что такая система имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при разработке и использовании фазового модулятора на основе оптической инжекции. По результатам исследования была опубликована статья [R. Shakhovoy et al. Optics Express 29, 9574 (2021)]. В рамках работ по оптимизации алгоритмов функционирования устройства КРК были созданы быстрые методы параллельной постобработки сырых случайных последовательностей, получаемых с помощью созданного ранее в рамках данного проекта квантового ГСЧ. Кроме того, были усовершенствованы методы извлечения квантового шума из интерференции лазерных импульсов; метод извлечения квантовых шумов, разработанный ранее для случая оцифровки случайных сигналов компаратором, был обобщен на случай оцифровки сигналов аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Подробности, связанные с алгоритмами работы ПЛИС в контексте извлечения квантовых шумов, были опубликованы в работе [D. Drahi et al. Phys. Rev. X 10, 041048 (2020)]. Для экспериментальной проверки модели учёта статистических флуктуаций для оценки доли и QBER однофотонных посылок с помощью анализа статистики обманных состояний, были построены системы КРК, объединенные в квантовую сеть с помощью оптических переключателей [Tayduganov et al., https://arxiv.org/abs/2104.04155]. Для выбора конфигурации сети были проведены эксперименты с использованием оптических свичей для КРК, разработан протокол взаимодействия узлов по TCP/IP интернет-каналу, отработаны элементы схемы, легко масштабируемые до большего количества взаимодействующих узлов. Была построена теоретическая модель как для Plug&Play, так и для однопроходной схемы, показаны какие параметры наиболее критично влияют на скорость генерации ключа. Отдельно рассмотрено включение процессов пост-обработки ключа, как фактор существенно влияющий на скорость КРК. Результаты построенной модели сравниваются с экспериментальными результатами, полученными на лабораторных прототипах квантовых сетей. Делается вывод о работоспособности построенной модели и ее применимости для оценки показателей производительности квантовых сетей in field. С помощью моделирования было показано, что оптимизация настраиваемых параметров детектора и интенсивности сигнального импульса скорость может быть увеличена в 1.5 раза по сравнению с начальными выставленными параметрами. Была рассмотрена возможность снижения стоимости квантовой сети применительно к конкретной межобластной магистральной линии. Были рассмотрены варианты замены в определенных узлах модулей Алиса или Боб оптическими переключателями при условии несущественного снижения общей пропускной способности; для этой цели было разработано ПО. Было показано, что можно достичь выигрыша в стоимости до 30% при снижении пропускной способности на 12%. Для улучшения оценки статистических флуктуаций был изучен и внедрен в ПО новый более общий метод [Zhang et al., Phys. Rev. A 95, 012333 (2017)] с использовании границы Чернова, который позволяет отказаться от некоторых предположений, сделанных в предыдущей работе [Trushechkin et al., Phys. Rev. A 96, 022316 (2017)]. С учетом статистических флуктуаций в результате исследований и тестов было установлено, что стандартный метод глобальной оптимизации (посредством создания сетки начальных точек и выполнения локальной оптимизации в каждой из них способами, основанными на вычислении производных) не является удовлетворительным в силу большого времени выполнения и возможного случайного нахождения локального оптимума. Поэтому было предложено использовать метод shgo (simplicial homology global optimization). Был написан программный код на языке Python с использованием Python-библиотеки scipy.optimize.shgo, осуществляющий поиск оптимальных интенсивностей и вероятностей для произвольных параметров детектора и оптической линии. После данный код был переписан на язык C++ для дальнейшего внедрения в существующее ПО. В рамках работы по изучению атак и стойкости протоколов на основе сильных опорных импульсов, была выбрана для рассмотрения атака мягкой фильтрацией - как наиболее эффективная с точки зрения Евы. Для нахождения дальности генерации секретного колюча, планируется провести оптимизацию параметров, описывающих атаку мягкой фильтрацией для максимизации информации, извлекаемой Евой. Этот результат должен дать ответ, какие ограничения накладываются на интенсивность референсного импульса, какова предельная дальность генерации секретного ключа. Экспериментальная апробация теоретической модели запланирована при помощи двухпроходной схемы, в основе которой лежит хорошо себя зарекомендовавшая схема plug&play. Предстоит решить задачу генерации ключа в режиме трейнов, задачу различимости сигнального импульса на фоне референсного при условии разности их интенсивностей в десятки децибел. Для изучения искажения поляризации в оптическом канале была построена теоретическая модель, на основе которой была подобрана эволюция параметров модели, отвечающая искажениям поляризации в реальных оптоволоконных линиях. Данная модель позволила найти эффективный алгоритм компенсации изменений поляризации, преимущество которого было подтверждено в промышленной установке КРК. Для экспериментального изучения искажения квантовых состояний фотонов в свободном пространстве создан макет экспериментальной установки на основе оптических элементов объемной оптики для анализа четырех поляризационных состояний одиночных фотонов [Kurochkin et al., J. Phys.:Conf. Ser. 1680 01203 (2020)]. Для изучения распространения одиночных фотонов на большие расстояния были проведены успешные испытания работоспособности собранного макета установки на телескопах диаметром 200 и 600 мм. Был проведен анализ опубликованных статей по возможным атакам на квантовый канал связи для спутниковых систем распределения квантового ключа. Для анализа стойкости квантовых каналов рассмотрены конкретные опубликованные данные для первого спутника «Мисиус», запущенного в Китае. Результаты анализа секретности дают возможность обеспечить стойкость квантовых каналов связи при проектировании экспериментальных устройств и реальных промышленных систем. Детектирование одиночных фотонов является одним из определяющих факторов эффективного функционирования КРК. Поэтому на детектор одиночных фотонов накладываются определенные требования, в которых фигурируют такие параметры, как: вероятность детектирования фотона, скорость темнового счета, максимальная частота детектирования, способность к различению числа фотонов в импульсе, массогабаритные характеристики, цена. Для оптимального выбора типа ДОФ были проанализированы физические процессы, происходящие в детекторах, для различных приложений. На основе данного анализа была написана обзорная статья [Лосев et al, Микроэлектроника 50, №2, 116-126 (2021)]. В данный момент ведутся исследования взаимного влияния различных параметров разработанного авторами InGaAs/InP ДОФ с синусоидальным стробированием, работающим для фотонов с длиной волны 1550 нм. В рамках проекта, в работе [Трушечкин et al., УФН, 191:1 (2021)] было проведено формальное доказательство того, что стойкость протокола BB84 с состояниями-ловушками (decoy state) с источником когерентных состояний и рандомизированный фазой сводится общепринятой доказанной стойкости соответствующего протокола с однофотонным источником. Это в свою очередь доказывает устойчивость протокола ко всевозможным атакам, а не только к атаке расщеплением по числу фотонов. В частности, было проведено сравнение этой атаки и атаки светоделителем, которое показало меньшую эффективность последней. В работе также математически была показана эквивалентность поляризационного и фазового кодирования. Таким образом оценка длины секретного ключа, используемая в нашей экспериментальной реализации [Duplinskiy et al. J. Russ. Laser Res. 39 113 (2018)] является обоснованной и строго доказанной.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках работ в 2021–2022 годах были исследованы показатели различных алгоритмов подстройки и удержания состояний поляризации на разработанной ранее модели квантового канала. Для сравнения показателей алгоритмов генератор случайных чисел генерировал произвольное начальное состояние поляризации, после чего на каждом шаге помимо изменений, вносимых алгоритмом, добавлялись случайные пертурбации, в соответствии с моделью канала. Была исследована способность различных алгоритмов подстройки поляризации приводить систему как можно ближе к целевому состоянию за минимальное время, а также их способность удерживать достигнутый результат в изменяющихся внешних условиях. Для получения статистически достоверного результата процедура повторялась многократно (порядка 103 раз) с различными начальными условиями. В качестве исследуемых алгоритмов рассматривались стандартный градиентный спуск, градиентный спуск второго порядка и градиентный спуск с адаптивным шагом. Отличие двух последних алгоритмов от стандартного градиентного спуска заключается в использовании дополнительных “пробных” шагов для увеличения точности. Полученные результаты свидетельствуют о том, что наиболее подходящим для быстрой подстройки поляризации является алгоритм с адаптивным шагом. Кроме того, он позволяет ближе приближаться к целевому значению, чем “наивный” градиентный спуск. Еще одним важным аспектом процедуры подстройки поляризации является определение момента окончания этой процедуры. В рамках работы был выработан относительный критерий, позволяющий сделать выводы о достаточном приближении к минимально возможному в текущих условиях значению ошибки без использования априорной информации о самом минимально возможном значении. Это позволяет алгоритму подстройки эффективно и автономно работать в изменяющихся внешних условиях. Все выработанные в симуляция решения были успешно имплементированы в системе КРК и подтвердили свою эффективность в том числе за пределами лаборатории - в городских оптоволоконных линиях связи. Было изучено влияние атаки мягкой фильтрацией на стойкость протокола КРК на основе сильных опорных (референсных) импульсов [Rodimin et al., arXiv:2106.10082]. Была получена оценка на долю информации потенциального перехватчика, которая была использована для вычисления скорости генерации конечного секретного ключа. Важным результатом исследования является полученное ограничение на необходимое соотношение между амплитудами референсного и сигнального импульсов, которое является важным параметром для достижения секретности, т.к. данный аспект практически не освещается в явном виде в существующей литературе. Для реализации квантового распределения ключей с сильным опорным импульсом требовалось решить задачу изоляции сигнального и опорного импульсов. Как показывает теоретическая модель, разница в энергии этих импульсов должна быть не менее 60дБ, что приводит к проблеме засветки сигнала ярким опорным импульсом, вплоть до полного неразличения. В оптической схеме присутствуют различные соединения и неоднородности; характерная величина обратного отражения может достигать 20дБ. Особенно остро проблема засветки встает при формировании трейнов импульсов, без которых частота повторения лазерных импульсов была бы слишком низкой. Для анализа вклада различных участков оптической схемы в засветку сигнального импульса была построена модель переотражений лазерных импульсов в оптической схеме с учетом интерференции https://github.com/VadimRodimin/fiber-reflections. Данная модель дала качественное согласие с экспериментальными рефлектограммами и позволила локализовать наиболее проблемные участки, разъемы на которых были заменены на высококачественные APC разъемы. В итоге удалось достичь приемлемой изоляции импульсов, что позволило запустить распределение ключей в экспериментальном режиме. Прототипирование квантового распределения ключа с опорным импульсом осуществлялось на разработанной оптической двухпроходной схеме, позволяющей формировать трейны лазерных импульсов. Эта схема была протестирована путем запуска генерации просеянного ключа, демонстрируя техническую осуществимость разницы в 65дБ между сигнальным и опорным импульсами. Величина QBER определялась видностью оптоволоконной интерферометрической схемы и составляла от 1.5-2% для 55дБ между опорным и сигнальным импульсами и повышалась до 6% для 65дБ. Схема отличается простотой настройки, являясь в этом смысле идентичной хорошо изученной схеме Plug&Play. Частота подстройки поляризации связана с тепловой и механической стабильностью участка, ответственного за поляризационные искажения, в основном это накопительная линия Алисы, которая может быть хорошо стабилизирована. Для обеспечения эффективной масштабируемости КРК сетей и уменьшения стоимости оборудования и обслуживания была разработана асимметричная схема коррекции ошибок, базирующаяся на технике слепого подбора скорости LDPC (low-density parity-checkcode) кода коррекции ошибок, а также на идеях и алгоритмах симметричной схемы коррекции ошибок. Предлагаемый метод обеспечивает информационную эффективность, близкую к симметричному методу, при меньшем потреблении итераций и равном потреблении процессорного времени. В рамках проекта в контексте повышения общей эффективности протокола, для выбора оптимальной скорости LDPC-кода и улучшения процедуры коррекции была разработана и обучена рекуррентная нейронная сеть на основе архитектуры длинной цепи элементов краткосрочной памяти LSTM (Long short-term memory). Модель показала лучшие результаты, чем модель на основе экспоненциально сглаживаемого средневзвешенного значения предыдущих фреймов (exponentional moving average, EMA), применяемая в текущей реализации. Также для повышения эффективности КРК был разработан и собран автоматизированный измерительный стенд, предназначенный для измерения всех параметров детектора одиночных фотонов с последующей программной обработкой полученных данных и формирования отчетов по эксплуатационным характеристикам устройств. Исследовалось влияние параметров стробирования на эффективность регистрации фотонов, скорость темнового счета, вероятность послеимпульса и их корреляции, чтобы дать некоторые рекомендации по настройке схемы смещения InGaAs/InP однофотонного лавинного диода [Losev et al., IEEE Photonics Journal 14, 1-9 (2022)].