Создана программа для квантового распределения ключей в беспроводной связи.

В настоящее время существует множество коммерческих организаций, предлагающих оборудование для реализации квантового распределения ключей (КРК) в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). Системы КРК в открытом пространстве, такие как атмосферные оптические линии связи (АОЛС), обладают рядом преимуществ, однако пока еще не получили широкого применения из-за отсутствия серийных устройств, реализующих технологию КРК в атмосфере.

Устройства квантовых коммуникаций в открытом пространстве пока существуют исключительно в виде экспериментальных установок, предназначенных для решения конкретных научных задач. Есть примеры систем, использующих горизонтальные атмосферные трассы и искусственные спутники Земли, но они еще не готовы к практическому применению из-за ряда нерешенных технических вопросов. Тем не менее, несмотря на существующие сложности, перспективы развития КРК в открытом пространстве выглядят весьма многообещающе. Одним из наиболее интересных решений является модульный подход, при котором серийные терминалы АОЛС соединяются с коммерческими блоками КРК, разработанными для ВОЛС. Такое решение предложили ученые МТУСИ.

«Это позволяет минимизировать временные и финансовые затраты. Однако необходимо учитывать, что простое соединение различных устройств не всегда обеспечивает стабильное распределение квантовых ключей с необходимой скоростью. Для компенсации динамических потерь на атмосферных трассах можно воспользоваться методами адаптивной оптики, также следует учитывать фоновую засветку, что требует системных исследований влияния множества факторов на скорость формирования квантового ключа на атмосферных трассах», — отметил Сергей Юрьевич Казанцев, доктор физико-математических наук, профессор кафедры НТС МТУСИ.

На базе МТУСИ создан аппаратно-программный комплекс для изучения технологии квантового распределения ключей (КРК) в беспроводных системах связи на основе серийных модулей.

«Общая схема комплекса состоит из двух оптических модулей приема и передачи сигнала в открытом пространстве, учебной установки EMQOS 1.0 и волоконно-оптических кабелей. Терминалы атмосферной оптической линии связи установлены на крышах двух зданий МТУСИ, а учебная установка подключена к одному из них через волоконно-оптический кабель. Расстояние между модулями составляет 180 метров, а их высота над землей — около 30 метров. В учебной установке EMQOS 1.0 используется двухпроходная схема для передачи квантового ключа по протоколу BB84 с фазовым кодированием. Это позволяет исследовать влияние атмосферных условий на стабильность передачи квантовых ключей и разрабатывать методы компенсации возникающих помех», — рассказал доцент, кандидат технических наук Юрий Миронов.

Комплекс позволяет изучать влияние динамических потерь на атмосферную трассу, а также влияние фоновых засветок на процент битовых ошибок и скорость распределения квантового ключа.

«Для этого в комплекс вместо EMQOS 1.0 подключались другие устройства: источник излучения с длиной волны 1530-1550 нанометров, два фотоприемника, а также спектрометр, с помощью которых удалось проверить корреляцию оптических потерь в квантовом канале и потерях в информационном и тестовом каналах АОЛС при различных погодных условиях. Кроме того, это позволило контролировать фоновую засветку от естественных и искусственных источников излучения с помощью спектрометра и поляриметра», – пояснила участник экспериментов на созданном комплексе Наталия Владимировна Пчелкина, кандидат технических наук, доцент кафедры НТС.

Измерения показали, что погодные условия не оказывают значительного влияния на изменение поляризации фотонов. Однако медленный дрейф поляризации, вызванный воздействием на оптический кабель, может значительно ухудшить работу системы. Поэтому в EMQOS 1.0 были добавлены дополнительные спектральные фильтры», — рассказал Кирилл Ерохин, студент МТУСИ, лаборант учебных лабораторий кафедры НТС.

После установки стандартного коммерческого оптического фильтра перед детектором одиночных фотонов комплекса EMQOS 1.0 стало возможным осуществлять передачу квантового ключа на расстояние 180 м и исследовать влияние погодных условий на скорость генерации квантового ключа.

Созданный аппаратно-программный комплекс позволяет при различных погодных условиях вести мониторинг параметров как классических, так и квантового канала связи, реализованных в свободной атмосфере, а модульная структура комплекса предоставляет возможность подключения другого квантового оборудования для проведения сравнительных испытаний эффективности работы систем квантовой связи в условиях реальной атмосферной трассы.