Работа посвящена созданию системы устойчивой и высокоскоростной поляризационной модуляции фотонов, предназначенной для спутниковой квантовой связи по протоколу распределения ключей. Авторы представили устройство, работающее на частоте 10 ГГц. В его основе лежит использование свойства модуляторов из ниобата лития по-разному взаимодействовать со светом в зависимости от направления его распространения. Это позволило избежать нежелательного взаимодействия между управляющим электрическим сигналом и оптическими импульсами, идущими в обратном направлении. В ходе эксперимента средняя внутренняя квантовая ошибка передачи для четырех состояний поляризации составила всего 0,53% в течение десяти минут работы без какой-либо дополнительной коррекции. Моделирование показало, что предложенная схема способна поддерживать скорость генерации защищенных ключей на уровне пяти килобит в секунду даже при максимальных расстояниях связи между спутником и наземной станцией. Это открывает новые перспективы для развития высокоскоростных и защищенных квантовых коммуникаций на больших расстояниях.
Введение
Квантовое распределение ключей (QKD) — это метод создания криптографически защищенных ключей между удаленными пользователями, безопасность которого обеспечивается фундаментальными законами квантовой механики. При построении глобальных квантовых сетей спутниковые системы с поляризационным кодированием фотонов имеют преимущество перед волоконно-оптическими линиями благодаря меньшим потерям сигнала и снижению декогеренции (потери квантовых свойств) в космосе. С развитием лазерных технологий генерация фотонов с высокой частотой перестала быть проблемой. Хотя при передаче сигнала со спутника на Землю количество фотонов, достигающих приемника, уменьшается из-за потерь в канале, использование сверхпроводящих детекторов позволило решить и эту проблему. Однако сложные условия в атмосфере и космосе мешают стабильной поляризационной модуляции, что остается главным препятствием для увеличения скорости генерации ключей. В данной работе авторы решили проблему взаимодействия между электрическими сигналами и оптическими импульсами, распространяющимися в обратном направлении в модуляторе. Благодаря нереципрокности модуляторов на основе ниобата лития, скорость модуляции больше не ограничена конструкцией оптической схемы. При этом система сохраняет высокую устойчивость за счет самокомпенсирующейся оптики, в которой искажения, возникающие на пути "туда", компенсируются на пути "обратно". Это позволило преодолеть порог скорости в 2,27 ГГц, используя только стандартные коммерческие компоненты.
Методика проведения экспериментов
Принцип работы предложенной схемы основан на использовании интерферометра Саньяка — оптического устройства, в котором свет разделяется на два луча, проходящих один и тот же замкнутый путь в противоположных направлениях. В данном случае интерферометр состоит из фазового модулятора на кристалле ниобата лития и поляризационного светоделителя. Ультракороткие оптические импульсы направляются в светоделитель, где разделяются на два пучка. Один из них поступает в поляризационный кодировщик для модуляции. Начальный импульс выравнивается под углом 45 градусов к осям делителя, что позволяет разделить его на два пучка равной мощности с вертикальной и горизонтальной поляризацией. Оба пучка проходят через модулятор в прямом и обратном направлениях по одному и тому же оптическому пути. Такая схема обеспечивает самокомпенсацию: фазовый шум и другие искажения, вносимые оптическими элементами, взаимно уничтожаются. Это также позволяет избежать дисперсии поляризационных мод — эффекта, при котором разные поляризации распространяются с разной скоростью. Состояние поляризации на выходе зависит от управляющего электрического сигнала, подаваемого на модулятор. Вследствие неравнозначности направлений модулятора, учитывается только модуляция света, распространяющегося в прямом направлении. В качестве управляющего сигнала используется синусоидальная радиочастотная волна, частота которой кратна частоте следования оптических импульсов. Ключевое отличие предложенной схемы, приведенной на рисунке 1, от предыдущих подходов заключается в одновременной модуляции нескольких оптических импульсов синусоидальной волной. Ранее использовалась прямоугольная волна, которая в каждый момент времени могла модулировать только один импульс, что ограничивало скорость.
Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки.
Механизмы модуляции для импульсов, идущих в прямом и обратном направлениях, сильно различаются. Когда оптический импульс и электрический сигнал распространяются в одну сторону, их взаимодействие непрерывно. Когда же они движутся навстречу друг другу, взаимодействие очень короткое, и его эффект усредняется. Для синусоидальной волны среднее значение напряжения за период равно нулю, поэтому эффекты положительных и отрицательных полуволн компенсируют друг друга, и модуляцией обратных импульсов можно пренебречь.
В экспериментах использовался источник света на основе оптической частотной гребенки, генерирующий импульсы с частотой 10 ГГц и длительностью около 2,16 пикосекунды. Для модуляции использовался фазовый модулятор от компании Eospace, а в качестве источника управляющего сигнала — аналоговый генератор Keysight EXG N5173B. Для точной синхронизации пиков оптических и электрических сигналов применялся фазовращатель.
Блок детектирования был реализован на основе сверхпроводниковых нанопроволочных однофотонных детекторов (SNSPD) от PHOTEC. Детекторы работали в режиме Гейгера, а данные собирались с помощью коррелятора одиночных фотонов Swedish Instruments Time Tagger Ultra. Сначала производительность системы оценивалась с помощью классических методов. Анализатор поляризации Thorlabs PAX 1000 (Заказать оборудование Thorlabs - INSCIENCE) использовался для измерения векторов Стокса и их визуализации на сфере Пуанкаре. Результаты показали, что коэффициент подавления нежелательной поляризации превышал 18,24 дБ (что эквивалентно квантовой ошибке около 1,5%) на протяжении 1 часа 25 минут без дополнительной коррекции.
Затем был проведен эксперимент на однофотонном уровне. Было обнаружено, что средняя внутренняя квантовая ошибка передачи напрямую зависит от напряжения модуляции. Наилучший результат — 0,046% — был достигнут при отсутствии управляющего сигнала. Эти тесты подтвердили, что предложенная схема обеспечивает надежную и высокоскоростную поляризационную модуляцию с низким уровнем ошибок.
Заключение
Авторам удалось устранить проблему обратной модуляции в самокомпенсирующейся оптической схеме, использовав нереципрокные свойства модуляторов на основе ниобата лития. Это позволило создать надежный и высокоскоростной поляризационный кодировщик, частота работы которого больше не ограничена его оптической конструкцией. Устройство собрано из коммерчески доступных компонентов. Средняя внутренняя квантовая ошибка для четырех состояний поляризации составила 0,53% при частоте 10 ГГц в течение десяти минут без какой-либо компенсации. Моделирование, основанное на параметрах реального спутника на низкой околоземной орбите, показало, что система способна генерировать защищенные ключи со скоростью до пяти килобит в секунду даже на максимальных расстояниях до наземной станции. Эта работа вносит важный вклад в развитие технологий спутниковой квантовой связи.
*Источник: Wang Z. X. et al. 10 GHz robust polarization modulation towards high-speed satellite-based quantum communication //EPJ Quantum Technology. – 2025. – Т. 12. – №. 1. – С. 47.
Компания INSCIENCE предлагает широкий спектр оборудования — от микроскопов и объективов до чувствительных камер и программных комплексов анализа изображений. Ознакомиться с каталогом решений можно на сайте INSCIENCE.
Для подбора оптимальной конфигурации под Ваши задачи воспользуйтесь кнопкой запроса.