CZ295335B6 - Způsob komunikace mezi stanicemi, používající interferometrický systém pro kvantové šifrování, systém a stanice k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Vynález se týká způsobu předávání klíče mezi dvěma stanicemi (1, 2) s použitím interferometrického systému pro kvantové šifrování, jakož i systému využívajícího tento způsob a s ním spojených zařízení. Obsahuje krok vyslání alespoň dvou světelných impulzů kvantovým kanálem (3) a krok detekce interference vytvořené zmíněnými impulzy v jedné stanici. Interferující impulzy prochází stejnou větví zmíněného interferometru, ale v jiné sekvenci, takže jsou při průchodu kvantovým kanálem zpožděny. Tyto impulzy jsou odráženy Faradayho zrcátky (14, 16, 22) umístěnými na koncích kvantového kanálu (3), aby se tím zrušil polarizující efekt. Systém nevyžaduje nastavení nebo vyvažování mezi větvemi interferometrů.ŕ

Description

Způsob komunikace mezi stanicemi, používající interferometrický systém pro kvantové šifrování, systém a stanice k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu komunikace mezi stanicemi, používající interferometrický systém pro kvantové šifrování, systému a stanic k provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Účelem šifrování je výměna zpráv mezi uživateli A a B, obvykle nazývanými Alice a Bob, a to při zachování důvěrnosti obsahu. Způsoby šifrování často používají veřejně známé algoritmy šifrování a dešifrování, přičemž důvěrnost informace spočívá zcela na použitém klíči, který se musí použít jako vstup dešifrovacího algoritmu pro dešifrování přijaté zprávy.

Klíč obvykle sestává z náhodně vybraných a dostatečně dlouhých řetězců bitů. Jakmile je klíč sestaven, mohou se následné zprávy bezpečně přenášet veřejným spojovacím kanálem. Uživatelé, kteří spolu chtějí komunikovat, musí v určitém stádiu použít ke sdělení klíče bezpečný kanál. Způsob tradičních způsobů přenosu může být monitorován nepovolanými osobami, a proto není možné přenášet ověřitelně bezpečný klíč bez toho, že by se použilo těžkopádné zařízení na fyzikálním principu. Bezpečný přenos klíče je možný použitím kvantových technik. U kvantového šifrování se klíč přenáší kvantovým kanálem. Jeho bezpečnost je založena na principech kvantové mechaniky, která udává, že jakékoliv měření vhodně vybraného kvantového systému nevyhnutelně modifikuje kvantový stav systému. Případná neoprávněná, úmyslně odposlouchávající osoba, nazývaná Eve, může měřením z kvantového kanálu získat informace, ale legitimní uživatel to snadno zjistí a nemusí tento kanál použít. V praxi to znamená, že kvantovým systémem může být jednotlivý foton procházející optickým vláknem, který se může dekódovat polarizací nebo změnou fáze, tak jak to navrhuje Ch. Bennett a G. Brassard v „Quantum Cryptography“ v článku „Public key distribution and coin tossing“ (Veřejné sdílení klíče použitím metody házení mincí), Proceedings of the Intemational Conference on Computers, Systems and Signál Processing, Bangalore, India, 1984, strany 175 až 179 (IEEE, New York, 1984).

Dosavadní interferometrické systémy sdílení kvantového klíče jsou obvykle založeny na zdvojeném Mach-Zehnderově interferometru, kde je jedna strana určena pro Alici a jedna strana pro Boba (viz obr. 1). Tyto interferometry používají způsob časového multiplexování, jelikož oba interferující impulzy prochází stejnou cestou mezi Alicí a Bobem, a to s jistým časovým zpožděním. Pulzy prochází uvnitř interferometrů Alice a Boba různými cestami. Aby se dosáhlo dobré interference, musí mít oba uživatelé stejné interferometry se stejnými vazebními poměiy v každé větvi, a rovněž stejné délky cesty přenosu, přičemž je nutné udržovat je v průběhu přenosu ve stabilním stavu v rámci několika desítek nanometrů. Jeden interferometr musí být vůči druhému seřizován po několika sekundách, aby se tím kompenzoval tepelný posun. Jelikož jsou optické komponenty, například fázové modulátory, polarizačně závislé, je ovládám polarizace nutná jak v přenosové lince, tak i uvnitř interferometru. V systému založeném na polarizaci se musí polarizace udržovat ve stabilním stavu na vzdálenost desítek kilometrů, a to z důvodu udržení spojení polarizátorů u Alice i Boba. Pro praktické aplikace je to jasně nevýhodné.

Podstata vynálezu

Jedním z technických problémů, který chce tento vynález řešit je nalezení zlepšeného zařízení a zlepšení způsobu kvantového šifrování. Vynález se týká takového způsobu a zařízení kjeho provádění, kde není potřeba žádného nastavování ani vyvažování interferometru. Při použití tohoto systému si může Alice a Bob vyměnit informaci, například šifrovací klíč, a to přes

-1 CZ 295335 B6 standardní telekomunikační kanál. Uživatelé na obou koncích kanálu se musí pouze zapojit do vysílací/přijímací stanice.

Vynález přináší způsob komunikace mezi stanicemi, používající interferometrický systém pro kvantové šifrování, při kterém se zasílají alespoň dva světelné impulzy kvantovým kanálem, načež se detekuje interference vytvořená těmito impulzy v jedné stanici, přičemž podstata vynálezu spočívá v tom, že světelné impulzy, jejichž interference se detekuje, se zasílají stejnými větvemi interferometru, avšak vjiné sekvenci, a při průchodu kvantovým kanálem se zpozdí.

Vynálezecký způsob je též možno provádět tak, že světelné impulzy se odráží od alespoň jednoho Faradayho zrcátka umístěného na alespoň jednom konci kvantového kanálu.

Vynálezecký způsob je též možno provádět tak, že ve světelných impulzech, jejichž interference se detekuje, je průměrný počet fotonů menší než 1.

Vynálezecký způsob je též možno provádět tak, že světelné impulzy se zasílají zdrojem impulzů ve vysílací/přijímací stanici, ve které se druhé impulzy zpožďují zpožďovací linkou, přijímají se alespoň jednou stanicí kódování klíče, ve které se druhý impulz fázově moduluje a oba impulzy se odrážejí směrem k vysílací/přijímací stanici, ve které se zpožďuje a fázově moduluje první impulz.

Vynálezecký způsob je též možno provádět tak, že druhý impulz se ve stanici kódování klíče zeslabí tak, že průměrný počet fotonů ve druhém impulzu, které se odrazily zpět do vysílací/přijímací stanice, je menší než 1.

Vynálezecký způsob je též možno provádět tak, že v obou stanicích se volí fázový posuv prvního a druhého impulzu náhodně.

Vynálezecký způsob je též možno provádět tak, že fázové posuny se volí buďto s hodnotou 0, nebo π, přičemž použije-li se stejný fázový posun v obou stanicích, je interference mezi prvním impulzem a druhým impulzem konstruktivní, zatímco použij í-li se v obou stanicích různé fázové posuny, je interference zcela destruktivní.

Vynálezecký způsob je též možno provádět tak, že světlo se zašle s alespoň dvěma pravoúhle polarizovanými složkami, přičemž tyto složky procházejí stejnými větvemi interferometru, avšak v různé sekvenci.

Vynálezecký způsob je též možno provádět tak, že jednou ze stanic se náhodně volí fáze jedné ze složek polarizace s přihlédnutím k druhé složce, čímž se vytváří náhodná výstupní polarizace.

Vynález se též týká interferometrického systému pro distribuci klíče kvantovým kanálem, s použitím kvantového šifrování, zahrnující alespoň jednu vysílací/přijímací stanici a alespoň jednu stanici kódování klíče, obě připojené ke kvantovému kanálu, dále prostředky pro vysílání alespoň dvou impulzů kvantovým kanálem do alespoň jedné další stanice, které jsou uspořádány v alespoň jedné z uvedených stanic, dále detektory interference, vytvořené impulzy, uspořádané v alespoň jedné ze stanic, kde podstata vynálezu spočívá v tom, že systém je uspořádán pro vytvoření odlišných interferujících světelných impulzů a pro jejich zaslání stejnými větvemi systému, přičemž je také uspořádán pro zpoždění impulzů průchodem kvantovým kanálem.

Vynálezecký systém je možno provést též tak, že alespoň jedna ze stanic obsahuje alespoň jedno Faradayho zrcátko na alespoň jednom konci kvantového kanálu.

Vynálezecký systém je možno provést též tak, že alespoň jedna ze stanic obsahuje prostředky pro zeslabení intenzity světelných impulzů na průměrný počet fotonů v interferujících impulzech menší než 1.

-2CZ 295335 B6

Vynálezecký systém je možno provést též tak, že obsahuje alespoň jednu vysílací/přijímací stanici a alespoň jednu stanici kódování klíče, kde vysílací/přijímací stanice zahrnuje zpožďovací linku, vytvořenou mezi propojovací jednotkou a Faradayho zrcátky pro zpoždění prvního impulzu před jeho zasláním přes kvantový kanál a než je druhý impulz přes kvantový kanál přijat, a dále zahrnuje alespoň jeden jednofotonový detektor pro detekci interferencí mezi zmíněným prvním a druhým impulzem, zatímco stanice kódování klíče zahrnuje zrcátka pro odrážení prvního a druhého impulzu a alespoň jeden fázový modulátor pro modulování fáze u alespoň jednoho z impulzů.

Vynálezecký systém je možno provést též tak, že stanice kódování klíče zahrnuje prostředky pro zeslabení intenzity alespoň jednoho z impulz snížením průměrného počtu fotonů ve zmíněném druhém impulzu, odražených zpět do vysílací/přijímací stanice (1), na počet menší než 1.

Vynálezecký systém je možno provést též tak, že obě stanice jsou vytvořeny pro náhodnou volbu fázového posunu u prvního a druhého impulzu.

Vynálezecký systém je možno provést též tak, že obě stanice jsou vytvořeny pro volbu fázového posunu s hodnotou 0 nebo π, kde pro stejný fázový posun v obou stanicích je vytvořena konstruktivní interference mezi prvním impulzem a druhým impulzem, zatímco pro různé fázové posuny v obou stanicích je vytvořena interference zcela destruktivní.

Vynálezecký systém je možno provést též tak, že světlo zaslané vysílací/přijímací stanicí zahrnuje alespoň dvě pravoúhlé složky procházejí stejnými větvemi interferometru, ale v jiné sekvenci.

Vynálezecký systém je možno provést též tak, že jedna ze stanic je vytvořena pro náhodnou volbu fáze jedné z polarizačních složek s přihlédnutím ke druhé složce pro vytvoření náhodného výstupu polarizace.

Vynálezeckou stanicí kódování klíče pro předávání klíče do alespoň jedné vysílací/přijímací stanice kvantovým kanálem je možno provést tak, že zahrnuje zrcátko pro odražení prvního impulzu zaslaného vysílací/přijímací stanicí zpět do vysílací/přijímací stanice a rovněž pro odražení druhého impulzu zaslaného vysílací/přijímací stanicí krátce po prvním impulzu zpět do vysílací/přijímací stanice a fázový modulátor upravený pro modulování fáze druhého impulzu vzhledem k prvnímu impulzu.

Vynálezeckou stanici kódování klíče je možno provést též tak, že obsahuje detektor pro detekci prvního impulzu.

Vynálezeckou stanici kódování klíče je možno provést též tak, že první impulz a druhý impulz prochází fázovým modulátorem, přičemž oba impulzy jsou odráženy stejným zrcátkem, kde detektor nastavuje fázový posun aplikovaný fázovým modulátorem, a to ihned po přijetí prvního impulzu, takže pouze druhý impulz je fázově modulován modulátorem.

Vynálezeckou stanici kódování klíče je možno provést též tak, že je upravena pro náhodnou volbu fázového posunu u druhého impulzu.

Vynálezeckou stanici kódování klíče je možno provést též tak, že fázový posun aplikovaný fázovým modulátorem je volen náhodně mezi hodnotou 0 a hodnotou π.

Vynálezeckou stanici kódování klíče je možno provést též tak, že dále zahrnuje prostředky pro zeslabení intenzity světla druhého impulzu na celkový počet fotonů ve zpět odraženém druhém impulzu menší než 1.

-3 CZ 295335 B6

Vynálezeckou stanici kódování klíče je možno provést též tak, že prostředky pro zeslabení zahrnují propojovací jednotku, zapojenou pro zasílání většiny přijatého světla do detektoru.

Vynálezeckou stanici kódování klíče je možno provést též tak, že prostředky pro zeslabení zahrnují útlumový článek napojený pro ovládání detektorem.

Vynálezeckou stanici kódování klíče je možno provést též tak, že zrcátka jsou Faradayho zrcátka.

Vynálezeckou stanici kódování klíče je možno provést též tak, že detektory nejsou jednofotonové detektory.

Vynálezeckou stanici kódování klíče je možno provést též tak, že fázový modulátor je LiNbO₃ modulátor.

Vynálezeckou vysílací/přijímací stanici, sloužící k příjmu klíče zaslaného z jedné stanice kódování klíče přes kvantový kanál je možno provést tak, že obsahuje laser, dále zpožďovací linku zahrnující zrcátka, dále detektory interference, dále první propojovací jednotku jednak připojenou pro rozdělení impulzů z laseru do dvou impulzů, a jednak připojenou pro zaslání prvního impulzu přímo do kvantového kanálu, a pro zaslání druhého impulzu do zpožďovací linky, která je upravena pro zpoždění druhého rozděleného impulzu před jeho zasláním do kvantového kanálu a dále upravenou pro rozdělení impulzů přijatých z kvantového kanálu do dvou impulzů a zapojenou pro zaslání prvního takového impulzu přímo do detektorů a pro zaslání druhého impulzu do zpožďovací linky před jeho zasláním do detektorů.

Vynálezeckou vysílací/přijímací stanici je možno provést též tak, že má fázový modulátor, který je upraven pro modulování fáze impulzů přijatých ze zpožďovací linky.

Vynálezeckou vysílací/přijímací stanici je možno provést též tak, že fázový modulátor je vytvořen pro náhodnou volbu fázového posunu aplikovaného na zpožděné impulzy.

Vynálezeckou vysílací/přijímací stanici je možno provést též tak, že fázový modulátor je vytvořen pro náhodnou volbu fázového posunu s hodnotou 0 a π.

Vynálezeckou vysílací/přijímací stanici je možno provést též tak, že fázový modulátor je LiNbO₃ modulátor.

Vynálezeckou vysílací/přijímací stanici je možno provést též tak, že zahrnuje dva detektory, první propojovací jednotka je 3x3 propojovací jednotka připojená k detektorům, které jsou zapojeny pro zasláni impulzu do prvního detektoru nebo do druhého detektoru v závislosti na interferenci vytvořené v propojovací jednotce.

Vynálezeckou vysílací/přijímací stanici je možno provést též tak, že laser je vytvořen pro vysílání světelných impulzů s kruhovou polarizací a první propojovací jednotka je polarizační propojovací jednotkou pro oddělení svislé a vodorovné polarizace impulzů.

Vynálezeckou vysílací/přijímací stanici je možno provést též tak, že zpožďovací linka zahrnuje Faradayho zrcátka pro odrážení zpožděných impulzů.

Vynálezeckou vysílací/přijímací stanici je možno provést též tak, že detektory jsou jednofotonové detektory.

Vynálezeckou vysílací/přijímací stanici je možno provést též tak, že detektory jsou zeslabující fotodiody s předpětím s hodnotou za zpětné průrazné závěrné napětí a pracující v Geigerově režimu.

-4CZ 295335 B6

Vynálezeckou vysílací/přijímací stanici je možno provést též tak, že jednofotonové detektory jsou zapojeny pro aktivaci pro snížení počtu tmavých impulzů pouze v době, kdy je očekáván příchod fotonu.

Vynálezeckou vysílací/přijímací stanici je možno provést též tak, že laserem je laser, který s výhodou produkuje 300ps dlouhé impulzy při 1300 nm s opakovacím kmitočtem 1 kHz.

Vynálezeckou vysílací/přijímací stanici je možno provést též tak, že dále zahrnuje prostředek korekce omylů.

Vynálezecké zařízení pro distribuci klíče kvantovým kanálem při použití kvantového šifrování lze provést tak, že obsahuje vysílací/přijímací stanici sloužící k příjmu klíče zaslaného z jedné stanice kódování klíče přes kvantový kanál, zahrnující laser, dále zpožďovací linku obsahující zrcátka, dále detektory interference, dále první propojovací jednotku jednak připojenou pro rozdělení impulzů z laseru do dvou impulzů, a jednak připojenou pro zaslání prvního impulzu přímo do kvantového kanálu a pro zaslání druhého impulzu do zpožďovací linky, která je upravena pro zpoždění druhého rozděleného impulzu před jeho zasláním do kvantového kanálu a dále upravenou pro rozdělení impulzů přijatých z kvantového kanálu do dvou impulzů a zapojenou pro zaslání prvního takového impulzu přímo do detektorů a pro zaslání druhého impulzu do zpožďovací linky před jeho zasláním do detektorů, a dále obsahující stanici kódování klíče pro předávání klíče do alespoň jedné vysílací/přijímací stanice kvantovým kanálem, zahrnující zrcátko pro odražení prvního impulzu zaslaného vysílací/přijímací stanicí zpět do vysílací/přijímací stanice a rovněž pro odrážení druhého impulzu zaslaného vysílací/přijímací stanicí krátce po prvním impulzu zpět do vysílací/přijímací stanice a fázový modulátor upravený pro modulování fáze druhého impulzu vzhledem k prvnímu impulzu.

Vynálezecký systém s více stanicemi sloužící k distribuci klíče kvantovým kanálem při použití kvantového šifrování mezi alespoň jednou vysílací/přijímací stanicí a jednou klíč kódující stanicí je možno provést tak, že obsahuje vysílací/přijímací stanici sloužící k příjmu klíče zaslaného z jedné stanice kódování klíče přes kvantový kanál, zahrnující laser, dále zpožďovací linku obsahující zrcátka, dále detektory interference, dále první propojovací jednotku jednak připojenou pro rozdělení impulzů z laseru do dvou impulzů, a jednak připojenou pro zaslání prvního impulzu přímo do kvantového kanálu a pro zaslání druhého impulzu do zpožďovací linky, která je upravena pro zpoždění druhého rozděleného impulzu před jeho zasláním do kvantového kanálu a též upravenou pro rozdělení impulzů přijatých z kvantového kanálu do dvou impulzů a zapojenou pro zaslání prvního takového impulzu přímo do detektorů a pro zaslání druhého impulzu do zpožďovací linky před jeho zasláním do detektorů, a obsahující dále stanici kódování klíče pro předávání klíče do alespoň jedné vysílací/přijímací stanice kvantovým kanálem, zahrnující zrcátko pro odražení prvního impulzu zaslaného vysílací/přijímací stanicí zpět do vysílací/přijímací stanice a rovněž pro odražení druhého impulzu zaslaného vysílací/přijímací stanicí krátce po prvním impulzu zpět do vysílací/přijímací stanice a fázový modulátor upravený pro modulování fáze druhého impulzu vzhledem k prvnímu impulzu.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále popsán pomocí připojených výkresů, na nichž:

obr. 1 schematicky znázorňuje obvyklý Mach-Zehnderův interferometr pro kvantové šifrování podle dosavadního stavu techniky, obr. 2 schematicky znázorňuje první provedení zařízení podle vynálezu, obr. 3 schematicky znázorňuje druhé provedení zařízení podle vynálezu a

-5 CZ 295335 B6 obr. 4 schematicky znázorňuje třetí provedení zařízení podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 znázorňuje blokové schéma obvyklého Mach-Zehnderova interferometru pro kvantové šifrování, tak jak je to popsáno například v patentu US 5 307 410, vydanému na jméno Bennet. Zdroj laseru 40 v přístroji Alice emituje krátké laserové impulzy směrem k Bobovi. Laserový impulz je Alicí rozdělen na dva časově posunuté impulzy PÍ a P2, přičemž jeden je přenášen kratší cestou přes fázový modulátor 42 a druhý je zpožděn přenosem delší cestou 43. pro dělení laserových impulzů jsou nutné dvě propojovací jednotky (děliče paprsků) 41, 44. Informace o klíči se zakóduje s fázovým posunem vyvolaným fázovým modulátorem 42.

Po průchodu optickým vláknem 3 se oba časově posunuté impulzy Pl, P2 dostanou do stejného interferometru na straně Boba, kde vytvoří tři impulzy. První impulz je vytvořen z impulzu Pl procházejícího kratší cestou, která zahrnuje fázový modulátor 51 na straně Boba. Poslední impulz je získán z impulzu P2, procházejícího zpožďovací částí 52 na straně Boba. Oba impulzy nepřenášejí žádnou informaci o nastavení fáze. Střední impulz se získá interferencí mezi Pl procházejícím zpožďovacím vedením na straně Boba a P2 procházejícím kratší větví 51. Relativní nastavení fází vytváří v detektorech 55, 56 konstruktivní nebo destruktivní interference.

Aby se dosáhlo dobré viditelnosti (rozlišitelnosti), musí být oba interferometry 4,5 udržovány v identickém stavu a měly by zachovat polarizaci. Konkrétně, délky zpožďovacích vedení 43, 52 v obou interferometrech musí být stejné. Podle dosavadního stavu techniky se toho dosahuje nastavováním jednoho interferometru vůči druhému vždy po několika sekundách, aby se tím kompenzovaly tepelné posuny.

První provedení optického komunikačního systému, sestaveného pro distribuci klíče při použití kvantového šifrování, a to podle tohoto vynálezu, zahrnuje distribuci fázově zakódovaného klíče a je založeno na časovém multiplexním přenosu, tak, jak je to znázorněno na obr. 2. Toto provedení zahrnuje 2x2 propojovací jednotku 12. V principu mámě nevyvážený interferometr Michelsona na straně Boba s jednou dlouhou větví směrem k Alici. Na straně Boba vysílací/přijímací stanice 1 zahrnuje impulzní laser 10, jednu propojovací jednotku 11 a Faradayho zrcátko 16, další propojovací jednotku 12, fázový modulátor 13, druhé Faradayho zrcátko 14 a jeden fotonový detektor 17. Laserem 10 může být například laser typu DFB, což je laser, kteiý produkuje například 300ps dlouhé impulzy při 1300 nm, s opakovacím kmitočtem například 1 kHz. Na straně Alice stanice 2 kódování klíče zahrnuje propojovací jednotku 20, detektor 23, fázový modulátor 21, Faradayovo zrcátko 22, útlumový článek 24 ovládaný detektorem 23. Zařízení Alice a Boba jsou připojeny na obou stranách kvantového kanálu 3, například na obou stranách optického kanálu, který zahrnuje jednovidové optické vlákno.

Bob zahájí přenos zasláním krátkého laserového impulzu Alici. Na okamžik se nebere v potaz vliv Faradayho zrcátek 16, 14, 22, která jsou pro tento moment považována za běžná zrcátka. Nutnost mít ve větvi Alice propojovací jednotku 20 a detektor 23 bude rovněž vysvětlena později. Pulz, který se dostal do propojovací jednotky 12, je rozdělen na dvě části: jedna část Pl jde rovnou k Alici, druhá část P2 je nejprve zpožděna jedním nárazem do zrcátek 14, 16, což je zpožďovací linka. Oba impulzy Pl, P2 prochází vláknem směrem k Alici. Aby se mohly její bity zakódovat, Alice nechá první impulz Pl odrazit zrcátkem 22, přitom moduluje fázi druhého impulzu P2 fázovým modulátorem 21 umístěným před zrcátkem 22, což je fázový posun 0_A. Oba impulzy potom putují k Bobovi. Detekce na Bobově straně je realizována opožděním části Pl ve stejné zpožďovací lince tvořené Faradayho zrcátky 14, 16. Bob nechává pulz P2 nezměněný, ale fázovým modulátorem 13 umístěným před zrcátkem 14, což je fázový posun 0_B, moduluje fázi prvního impulzu Pl. Tento impulz následně interferuje s P2. Pokud jsou fázové modulátory na Alicině a Bobově straně vypnuty, nebo rozdíl 0_A_ 0_B = 0, tedy oba impulzy Pl aP2 mají stejný fázový posun. Potom je interference konstruktivní, protože oba impulzy přesně

-6CZ 295335 B6 sledují stejnou cestu. Jestliže Alice a Bob nastavení svých fází mezi oběma impulzy změní, interference se může stát destruktivní. Zcela destruktivní interferenci získáme, jestliže 0_A_0_B = π, kde 0_A a 0_B znamenají celkové fázové posuny vyvolané Alicí a Bobem, to znamená fázové posuny odpovídající návratové cestě přes fázový modulátor. V tomto případě fotonový detektor 17 nezaznamenává žádné světlo. Je nutno vzít na vědomí, že podstatné je to, že získaná interference, při rozdílných fázových posunech, je zcela destruktivní. Zajišťuje to, že když se u Boba objeví detekční jev, může si Bob být jistý, že Alice nepoužila rozdílnou fázi, ale použila stejnou fázi jako Bob.

Nastavení relativní fáze moduluje intenzitu v detektoru 17. čímž se může použít k přenosu informace od Alice k Bobovi. První atraktivní znaky tohoto nastavení jsou charakteristické tím, že interferometr je automaticky spojen, přičemž oba impulzy jsou zpožděny stejnou zpožďovací linkou a viditelnost okrajů je nezávislá na přenosovém/odrazovém koeficientu propojovací jednotky 12.

Samozřejmě, že velký lom světla nesleduje zmíněné dvě cesty, ale je rozdělen rozdílně na různé propojovací jednotky, několikrát osciluje mezi zrcátky 14, 16 nebo 16, 22 předtím, než odejde směrem k detektoru 17. Tyto impulzy se nakonec vrátí do detektoru 17, ale v různém čase, a mohou se snadno diskriminovat. Proto nesnižují viditelnost. Zvláštní zájem vyvolává impulz PÍ přicházející zpět od Alice k Bobovi, který se dostává přímo do detektoru 17, takže přichází před zmíněnými interferujícími impulzy. Dále ukážeme, že je požadován impulz, který by zabránil jistému druhu strategie nedovoleného odposlouchávání. Povšimněte si prosím, že je-li vzdálenost mezi Alicí a Bobem mnohem větší než délka Bobova interferometru, je časové zpoždění mezi oběma impulzy přicházejícími do Bobova zařízení (čas mezi odcházejícím P2 a Pl přicházejícím zpět) mnohem delší, než čas mezi impulzy a zařízení Alice, kdy vzdálenost 10 km mezi Alicí a Bobem odpovídá 0,1 ms. Znamená to, že Bobova stanice musí zůstat stabilní po delší dobu než je uvedená časová hodnota, což není problémem u krátkého interferometrického systému. Na druhé straně, jestliže uvážíme, že vzdálenost mezi zrcátky 14, 16 je pouze 3 m, potom je časové zpoždění mezi impulzy přicházejícími k Alici pouze 30 ns. Znamená to, že neexistuje žádný problém stability, dokonce ani u velmi dlouhé přenosné linky. Z důvodu zakódování bitů u Alice je nutné použít rychlý fázový modulátor 21 o frekvenci okolo 100 MHz. Tato rychlá modulace je nutná proto, aby se umožnilo modulování fáze impulzu P2 přicházejícího k Alici, aniž by se změnila fáze PÍ. Není to problémem u existujících LiNbO₃ modulátorů. Podobný nebo pomalejší modulátor se může použít u Boba. Další modulátory jsou popsány ve spise WO96/07951.

Zmíněné nastavení zařízení by velmi dobře pracovalo u ideálních vláken, které nevykazují dvojlom. Naneštěstí, všechna existující vlákna vykazují dvojlom, který modifikuje stav polarizace světla a může vést k omezení viditelnosti interference. Aby se interference zachovala, používáme namísto obvyklých zrcátek tzv. Faradayho zrcátka 14, 16, 22. Faradayho zrcátko je jednoduché zrcátko nalepené na Faradayho rotátor, který natáčí polarizaci o 45°.

Efekt Faradayho zrcátka spočívá v přeměně jakéhokoliv stavu polarizace na pravoúhlý stav, což znamená, že stav polarizace odraženého impulzu, v každém bodě optického vlákna, je pravoúhlý vůči stavu polarizace přijatého impulzu. Náhradou běžných zrcátek 14, 16 za Faradayho zrcátka, tedy přidáním Faradayho rotátorů se zajistí, že oba impulzy Pl, P2 mají stejnou polarizaci bez ohledu na dvojlom ve zpožďovacích linkách 14, 16. Stav polarizace impulzu P2 se dvojitým odrazem na Faradayho zrcátku 14, 16 nemění, podobně je tomu se stavem u Pl při odrazu na Faradayho zrcátkách 14, 16, jestliže se Pl pohybuje směrem k detektoru 17. To, co bylo uvedeno, nemusí být pravdou u impulzů Pl a P2, které se šíří dlouhým přenosovým vláknem, např. dlouhým několik kilometrů. Vzhledem k vlivu magnetického pole země, které vytváří malý Faradayho efekt v samotném vlákně, a k možným rychlým fluktuacím vlivem dvojlomu nemusí být stav polarizace vracejících se impulzů vůči vstupnímu stavu polarizace nutně pravoúhlý, co je ale v našem zařízení důležité je to, že oba interferující impulzy Pl, P2 mají stejnou polarizaci. Použití Faradayho zrcátka umožňuje kompenzovat závislost polarizace fázového modulátoru 21, a stejně tak kompenzovat ztráty závislé na polarizaci.

-7CZ 295335 B6

Až dosud byla řeč o makroskopických impulzech. Aby se zajistila bezpečnost kvantového šifrování, musí být impulzy, které jsou nositelem informace, velmi slabé, a to s hodnotou jednoho fotonu na impulz, jak to uvádí C. H. Benett, G. Brassard a A. K. Ekert v „Quantum Cryptography“, Scientifíc Američan č. 267, str. 50-57, 1992. Toto opatření má zlovolným odposlouchávačům, známým jako Eve, rozptýlit část impulzu a získat informaci o klíči. V praxi spoléháme na silně zeslabené (utlumené) laserové světlo. Jelikož je distribuce fotonů Poissonovskou distribucí, používáme z důvodu zajištění pravděpodobnosti toho, že výskyt více jak jednoho fotonu bude velmi nízký, průměrně 0,1 fotonu na impulz. Zeslabení se může dosáhnout přidáním velmi silné propojovací jednotky 20 s přenosovým koeficientem t₃ ~1 do větve patřící Alici. Vytváří se tím dostatečně velké zeslabení paprsků odrážených zrcadlem 22. takže paprsek zaslaný zpět Bobovi může zahrnovat impulz podobný jednofotonovému impulzu, přičemž se zároveň dosahuje maximalizace intenzity směrem do detektoru 23, což umožňuje použít obvyklý detektor 23 namísto jednofotonového detektoru. Pokud není zeslabení dostačující, může Alice dodat další útlumový článek 24, ovládaný detektorem 23, umístěný před zařízením. Použitím detektoru 23 může Alice monitorovat intenzitu přicházejících impulzů, může ovládat zeslabení, aby se tím zajistilo to, že impulz P2 vracející se zpět k Bobovi, má skutečně správnou intenzitu, tedy že impulzy od Boba k Alici nenesou ještě žádnou fázovou informaci, teprve při cestě zpět k Bobovi je fáze, vybraná Alicí, zakódována v impulzu P2.

Monitorování vstupní intenzity má další výhodu vtom, že Alice může zajišťovat jakýkoliv pokus, který učiní Eve pro získání hodnoty fázového posunu Alice tím, že vyšle do systému mnohem silnější impulzy a přitom měří fáze odražených impulzů.

Na Bobově straně potřebuje být detektor světla 17 jednofotonovým detektorem, například LN₂-chlazenou fotodiodou s předpětím za hranici průrazného závěrného napětí, a přitom fungující v Geigerově režimu. Hodnota předpětí diody je součtem částí jednosměrného proudu s dosti podprahovou hodnotou napětí a krátkého, například 2 ns trvajícího, pravoúhlého impulzu, který tlačí diodu například o 1,0 V nad prahovou hodnotu, a to tehdy, když se očekává příchod fotonu. Toto časové okno umožňuje značně snížit počet výpočtu temných impulzů, a rovněž diskriminaci nerelevantních impulzů. Kromě toho, aby se získalo na detektoru 17 tolik světla, kolik je zapotřebí, musí mít přenosová jednotka 11 vysoké přenosové vlastnosti s koeficientem přenosu t,«1.

Systém se může použít k vytvoření protokolu B92, nebo dvoustavového protokolu, tak, jak to navrhuje C. H. Bennet v „Quantum Craptography Using Any Two Nonorthogonal States“, Physical Review Letters č. 68, str. 3121-3124.

Alice i Bob náhodným způsobem hledají svá nastavení fází tak, že celkové fázové posuny ve fázových modulátorech 13, 20 mají hodnotu 0 nebo π, odpovídající hodnotě bitu s hodnotou 0 a 1. Tyto celkové fázové posuny odpovídají zpětné cestě impulzů. Jestliže se vyskytne detekce, to znamená konstruktivní interference, Alice i Bob vědí, že používali stejný fázový posun a měli stejnou hodnotu bitu: jestliže Bob volí bit 0 a dostává do detektoru jeden impulz, potom ví, že Alice rovněž zaslala 0, což recipročně platí i pro bit 1.

Pokud Alice s Bobem použijí různé fázové posuny, je rozdíl vždy roven π, což znamená, že interference v jednom fotonovém detektoru 17 je vždy destruktivní, a že by neměl být registrován žádný impulz. Jelikož však používají velmi slabé impulzy, nedostane Bob v mnohých případech do detektoru žádný impulz. V tomto případě z toho Bob může zjistit, co Alice zaslala. Možná, že Alice použila jinou fází, nebo v impulzu nebyl přítomen žádný foton. Nyní je již jasné, proč jsou potřeba slabé impulzy. Jestliže Alice a Bob použijí silné impulzy, které nesou vždy více jak jeden foton, potom Bob vždy pozná bit zasílaný Alicí: jeden impulz - stejný výběr fáze, žádný impulz - různý výběr fáze. Naneštěstí to pozná i Eve. Tak například, Eve může jednoduše impulzy rozdělit tím, že do linky přidá propojovací jednotku, a rovněž měřením fáze impulzů zasílaných Alicí. Jestliže však impulzy zasílané Alicí zahrnují nanejvýš jeden foton, potom se jednoduchá

-8CZ 295335 B6 strategie odposlouchávače Eve zcela zhroutí. Měří-li Eve foton, Bob ho nepřijme a jednoduše odpovídající přenos ukončí.

Eve může použít i jinou strategii odposlouchávání dvoustavového systému, a to úplné zastavení přenosu, měření co možná největšího množství impulzů a zaslání Bobovi pouze těch impulzů, které byla schopna získat. Aby se tomu zabránilo, musí Alice zaslat jak silný impulz Pl jakožto referenční impulz, tak i slabý impulz P2, který obsahuje fázovou informaci. Eve nemůže silný impulz potlačit, aniž by nebyl okamžitě odhalen. Potlačil-li by pouze slabý impulz, jelikož nezískal fázovou informaci, samotný silný impulz by v detektoru 17 vyvolal šum. V systému podle tohoto vynálezu to lze snadno zařídit použitím silné asymetrické propojovací jednotky 12 s koeficientem přenosu t₂ 1 a odrazovým koeficientem r₂ 0. V tomto případě impulz Pl. který se vrací zpět k Bobovi, je mnohem silnější než impulz P2, který již prošel zpožďovací linkou 14, 16, čímž se značně zeslabil. Bob může zjistit část impulzu Pl, která jde přímo do detektoru 17, a to před pozorováním interference. Je rovněž možné přidat před Faradayho zrcátko 16 propojovací jednotku a detektor, a to způsobem použitým u zařízení Alice.

Stejné nastavení zařízení, ale s různou volbou fáze pro Alici a Boba lze použít k realizaci protokolů, např. protokolu BB84, popsanému Ch. Bennetem a G. Brassardem v „Quantum Cryptography: Public key distribution and coin tossing“, Proceedings of the Intemational Conference on Computers, Systems and Signál Processing, Bangalore, Indie, 1984, str. 175-179 (IEEE, New York, 1984). Podle tohoto protokolu Alice volí mezi čtyřmi možnými stavy. V jiném případě, jestliže fázové posuny Alice nejsou rovny 0 a π/2, ale rovnají se 0 a libovolnému úhlu a, je pro Boba snadné provést kompenzaci požitím π - a a π, takže použije-li Bob špatný fázový posun, interference se stane destruktivní interferencí.

Obr. 3 znázorňuje blokové schéma druhého provedení optického komunikačního systému podle tohoto vynálezu, uspořádaného pro distribuci klíče, a to s použitím kvantového šifrování a realizací distribuce zakódovaného kvantového klíče. Toto provedení zahrnuje 3x3 propojovací jednotku 12'. Na straně Alice se může použít stejná stanice 2 kódování klíče tak, jak je tomu u prvního provedení. Na straně Boba zahrnuje vysílací/přijímací stanice 1 laser 10, 3x3 propojovací jednotku 12', první Faradayovo zrcátko 14, druhé Faradayovo zrcátko 16 a dva jednofotonové detektory 17 a 18.

První impulz Pl sleduje tuto sekvenci větví: laser 10 - zrcátko 16 - zrcátko 22 (na straně Alice) - zrcátko 16 (na straně Boba) - zrcátko 14 - detektory 17, 18.

Impulz P2 sleduje tuto sekvenci větví: laser 10 - zrcátko 16 - zrcátko 14 - zrcátko 16 - zrcátko 22 (na straně Alice) a do detektorů 17, 18.

V závislosti na fázovém rozdílu mezi impulzy Pl a P2 bude zaznamenána konstruktivní interference, a to buďto na detektoru 17, nebo na detektoru 18. Výběr fáze Alicí, to je π/3 nebo -π/3, zašle foton buďto do detektoru 17, nebo do detektoru 18.

Hlavní výhodou použití dvou detektorů 17, 18 spočívá v tom, že na straně Boba nepotřebujeme k realizaci protokolu B92 druhý fázová modulátor. Nevýhodou je potřeba použít jednofázové detektory 17,18.

Přidáním druhého fázového modulátoru před Faradayho zrcátko 14, tak jako u dřívějšího systému, umožňuje systému BB84 účinnou implementaci: Alice volí mezi čtyřmi možnými fázemi: π/3, -π/3, 2π/3 a -2π/3, zatímco Bob volí pouze mezi 0 (což mu umožňuje diferencovat mezi π/3 a -π/3) a π (což mu umožňuje diferencovat mezi 2π/3 a -2π/3).

Obr. 4 znázorňuje blokové schéma třetího provedení optického komunikačního systému podle vynálezu, uspořádaného pro distribuci klíče s použitím kvantové kryptografie a s použitím pola

-9CZ 295335 B6 rizačně kódované kvantové klíčové distribuce. Toto provedení zahrnuje na straně Boba polarizační propojovací jednotku 12.

Na straně Alice se může použít stejná stanice 2 kódování klíče tak, jak tomu bylo u prvního provedení. Na straně Boba zahrnuje vysílací/přijímací stanice 1 laser 10, ovladač polarizace 100, první propojovací jednotku 11 a polarizační propojovací jednotku 12, první Faradayho zrcátko 14, druhé Faradayho zrcátko 18 a jednofotonový polarizační systém detektoru 17'. Na straně Boba je opět potřebný fázový modulátor.

Laser 10 používá ovladač polarizace 100, aby mohl vyslat světlo, například s kruhovou polarizací. Polarizační propojovací jednotka 12 odděluje svislou a vodorovnou polarizaci. Jedna z polarizačních složek, řekněme svislá složka, sleduje následující sekvenci větví (s polarizačním přepínáním mezi svislou a vodorovnou složkou a naopak, přičemž je v každém okamžiku odrážená jednám z Faradayho zrcátek): laser 10 - zrcátko 22 (na straně Alice) - zrcátko 16 (na straně Boba) - polarizační systém detektoru 17'.

Na druhé straně jiná složka polarizace (vodorovná složka) sleduje sekvenci: laser 10-zrcátko 14 - zrcátko 16 - zrcátko 22 (na straně Alice) - detektor 17'.

Jestliže se na polarizační propojovací jednotce 12' kombinují dva pravoúhle polarizované impulzy, polarizace odcházejícího impulzu závisí na relativní fázi. Např. nulový fázový posun odpovídá pravé kruhové polarizaci (identické s počáteční), zatímco fázový posun π odpovídá levé kruhové polarizaci a fázový posun ±π/2 dává lineární polarizaci při ±45°. Změna fáze ve fázovém modulátoru 21 tím odpovídá rozdílné výstupní polarizaci. Toto provedení nepožaduje na straně Boba druhý fázový modulátor, dokonce ani protokol BB84. Kromě toho, výběrem ze čtyř různých fází ve fázovém modulátoru 21, lze zakódovat čtyři různé stavy. Nedostatkem tohoto provedení je to, že požaduje komplikovanější systém detektoru 17', který umí oddělit různé polarizace. Kromě toho systém vyžaduje polarizaci vracejících se impulzů tak, aby byly pravoúhlé vůči polarizaci přicházejících impulzů. Rychlá polarizační kolísání a vliv zemského magnetického pole mohou omezit délku přenosové linky 3.

Dokonce i dobrý jednofotonový detektor dělá chyby a příležitostně nezaregistruje foton nebo započítá foton, který nebyl vůbec přijat. U Boba by se měly zařadit opravné prostředky, např. takové, které používají cyklické redundantní kontroly.

I když jsou vysílací/přijímací stanice 1 a stanice 2 kódování klíče uvedeny jako samostatná zařízení, mohlo by být rovněž užitečné zkombinovat obě zmíněná zařízení do jednoho zařízení. Kombinované zařízení by mohlo střídavě hrát roli Boba a Alice, to znamená mohlo by inicializovat přenos nebo odpověď do druhého zařízení a přenášet klíč.

Kterékoliv provedení systému podle tohoto vynálezu může být snadno rozšířeno na systém o více stanicích, například na systém pro souběžnou distribuci klíče do několika spojených stanic, tak, jak je to například navrhováno ve spise WO95/07583.

Z tohoto hlediska je zvláště výhodným řešením provedení zobrazené na obr. 4, jelikož méně zpožděné impulzy jsou zasílány kvantovým kanálem.

Průmyslová využitelnost

Vynález je využitelný při navrhování a realizaci komunikačních systémů pro komunikaci mezi stanicemi s použitím interferometrického systému pro kvantové šifrování.

Claims (44)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob komunikace mezi stanicemi (1,2), používající interferometrický systém pro kvantové šifrování, při kterém se zasílají alespoň dva světelné impulzy kvantovým kanálem (3), načež se detekuje interference vytvořená těmito impulzy v jedné stanici, vyznačující se tím, že světelné impulzy, jejichž interference se detekuje, se zasílají stejnými větvemi interferometru, avšak v jiné sekvenci, přičemž se při průchodu kvantovým kanálem (3) zpozdí.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že světelné impulzy se odráží od alespoň jednoho Faradayho zrcátka (14,16) umístěného na alespoň jednom konci kvantového kanálu.
3. 3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že ve světelných impulzech, jejichž interference se detekuje, je průměrný počet fotonů menší než 1.
4. 4. Způsob podle alespoň jednoho z předcházejících nároků 1 až 3, vyznačující se t í m, že světelné impulzy se zasílají zdrojem impulzů ve vysílací/přijímací stanici (1), ve které se druhé impulzy zpožďují zpožďovací linkou, přijímají se alespoň jednou stanicí (2) kódování klíče, ve které se druhý impulz fázově moduluje a oba impulzy se odrážejí směrem k vysílací/přijímací stanici (1), ve které se zpožďuje a fázově moduluje první impulz.
5. 5. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že druhý impulz se ve stanici (2) kódování klíče zeslabí tak, že průměrný počet fotonů ve druhém impulzu, které se odrazily zpět do vysílací/přijímací stanice (1), je menší než 1.
6. 6. Způsob podle jednoho z nároku 4 nebo 5, vy z n a č uj í cí se t í m , že v obou stanicích (1, 2) se volí fázový posuv prvního a druhého impulzu náhodně.
7. 7. Způsob podle nároku 6, vyznačující se tím, že fázové posuny se volí buďto s hodnotou 0, nebo π, přičemž použije-li se stejný fázový posun v obou stanicích, je interference mezi prvním impulzem a druhým impulzem konstruktivní, zatímco použij í-li se v obou stanicích různé fázové posuny, je interference zcela destruktivní.
8. 8. Způsob podle jednoho z nároku 1 nebo 5, vyznačující se tím, že světlo se zašle s alespoň dvěma pravoúhle polarizovanými složkami, přičemž tyto složky procházejí stejnými větvemi interferometru, avšak v různé sekvenci.
9. 9. Způsob podle nároku 8, vyzn aČ u j í c í se tí m, že jednou ze stanic (2) se náhodně volí fáze jedné ze složek polarizace s přihlédnutím k druhé složce, čímž se vytváří náhodná výstupní polarizace.
10. 10. Interferometrický systém pro distribuci klíče kvantovým kanálem (3), s použitím kvantového šifrování, zahrnující:

    - alespoň jednu vysílací/přijímací stanici (1) a alespoň jednu stanici (2) kódování klíče, obě připojené ke kvantovému kanálu (3),

    - prostředky pro vysílání alespoň dvou impulzů kvantovým kanálem (3) do alespoň jedné další stanice, které jsou uspořádány v alespoň jedné z uvedených stanic (1),

    - detektory (17, 17', 18) interference, vytvořené impulzy, uspořádané v alespoň jedné ze stanic (1),

    -11 CZ 295335 B6 vyznačující se tím, že je uspořádán pro vytvoření odlišných interferujících světelných impulzů a pro jejich zaslání stejnými větvemi systému, přičemž je také uspořádán pro zpoždění impulzů průchodem kvantovým kanálem (3).
11. 11. Systém podle nároku 10, vyznačující se tím, že alespoň jedna ze stanic (1,2) obsahuje alespoň jedno Faradayho zrcátko (14, 16) na alespoň jednom konci kvantového kanálu (3).
12. 12. Systém podle nároku 10 nebo 11,vyznačující se tím, že alespoň jedna ze stanic (1,2) obsahuje prostředky (20, 24) pro zeslabení intenzity světelných impulzů na průměrný počet fotonů v interferujících impulzech menší než 1.
13. 13. Systém podle jednoho z nároků 10 až 12, vy z n a č uj í c í se t í m , že obsahuje alespoň jednu vysílací/přijímací stanici (1) a alespoň jednu stanici (2) kódování klíče, kde vysílací/přijímací stanice (1) zahrnuje zpožďovací linku, vytvořenou mezi propojovací jednotkou (12) a Faradayho zrcátky (14, 16) pro zpoždění prvního impulzu před jeho zasláním přes kvantový kanál (3) a než je druhý impulz přes kvantový kanál (3) přijat, a dále zahrnuje alespoň jeden jednofotonový detektor (17, 17', 18) pro detekci interferencí mezi zmíněným prvním a druhým impulzem, zatímco stanice (2) kódování klíče zahrnuje zrcátka (22) pro odrážení prvního a druhého impulzu a alespoň jeden fázový modulátor (21) pro modulování fáze u alespoň jednoho z impulzů.
14. 14. Systém podle jednoho z nároků 10 až 14, vyznačující se tím, že stanice (2) kódování klíče zahrnuje prostředky (20, 24) pro zeslabení intenzity alespoň jednoho z impulzů snížením průměrného počtu fotonů ve zmíněném druhém impulzu, odražených zpět do vysílací/přijímací stanice (1), na počet menší než 1.
15. 15. Systém podle jednoho z nároků 10 až 14, vy z n ač uj í c í se t í m, že obě stanice (1, 2) jsou vytvořeny pro náhodnou volbu fázového posunu u prvního a druhého impulzu.
16. 16. Systém podle jednoho z nároků 10 až 15, vy z n a č uj í c í se tím, že obě stanice (1,2) jsou vytvořeny pro volbu fázového posunu s hodnotou 0 nebo π, kde pro stejný fázový posun v obou stanicích (1, 2) je vytvořena konstruktivní interference mezi prvním impulzem a druhým impulzem, zatímco pro různé fázové posuny v obou stanicích (1, 2) je vytvořena interference zcela destruktivní.
17. 17. Systém podle jednoho z nároků 10 až 14, vyznačující se tím, že světlo zaslané vysílací/přijímací stanicí (1) zahrnuje alespoň dvě pravoúhlé složky procházející stejnými větvemi interferometru, ale v jiné sekvenci.
18. 18. Systém podle předchozího nároku, vyznačující se tím, že jedna ze stanic (2) kódování klíče je vytvořena pro náhodnou volbu fáze jedné z polarizačních složek s přihlédnutím ke druhé složce pro vytvoření náhodného výstupu polarizace.
19. 19. Stanice (2) kódování klíče pro předávání klíče do alespoň jedné vysílací/přijímací stanice (1) kvantovým kanálem (3), vyznačující se tím, že zahrnuje zrcátko pro odražení prvního impulzu zaslaného vysílací/přijímací stanicí (1) zpět do vysílací/přijímací stanice (1) a rovněž pro odražení druhého impulzu zaslaného vysílací/přijímací stanicí (1) krátce po prvním impulzu zpět do vysílací/přijímací stanice (1) a fázový modulátor (21) upravený pro modulování fáze druhého impulzu vzhledem k prvnímu impulzu.
20. 20. Stanice (2) kódování klíče podle předchozího nároku, vyznačující se tím, že obsahuje detektor (23) pro detekci prvního impulzu.

    -12CZ 295335 B6
21. 21. Stanice (2) kódování klíče podle předchozího nároku, vyznačující se tím, že první impulz a druhý impulz prochází fázovým modulátorem (21), přičemž oba impulzy jsou odráženy stejným zrcátkem, kde detektor (23) nastavuje fázový posun aplikovaný fázovým modulátorem (21), a to ihned po přijetí prvního impulzu, takže pouze druhý impulz je fázově modulován modulátorem (21).
22. 22. Stanice (2) kódování klíče podle předchozího nároku, vyznačující se tím, že je upravena pro náhodnou volbu fázového posunu u druhého impulzu.
23. 23. Stanice (2) kódování klíče podle předchozího nároku, vyznačující se tím, že fázový posun aplikovaný fázovým modulátorem (21) je volen náhodně mezi hodnotou 0 a hodnotou π.
24. 24. Stanice (2) kódování klíče podle jednoho z nároků 19 až 23, vy z n a č uj í c í se tím, že dále zahrnuje prostředky pro zeslabení intenzity světla druhého impulzu na celkový počet fotonů ve zpět odraženém druhém impulzu menší než 1.
25. 25. Stanice (2) kódování klíče podle nároku 24, vyznačující se tím, že prostředky pro zeslabení zahrnují propojovací jednotku (20), zapojenou pro zasílání většiny přijatého světla do detektoru (23).
26. 26. Stanice (2) kódování klíče podle nároku 24 nebo 25, vyznačující se tím, že prostředky pro zeslabení zahrnují útlumový článek (24) napojení pro ovládání detektorem (23).
27. 27. Stanice (2) kódování klíče podle jednoho z nároků 19až 26, vyznačující se tím, že zrcátka jsou Faradayho zrcátka.
28. 28. Stanice (2) kódování klíče podle jednoho z nároků 20 až 27, vyznačující se tím, že detektory (23) nejsou jednofotonové detektory.
29. 29. Stanice (2) kódování klíče podle jednoho z nároků 19 až 28, vyznačující se tím, že fázový modulátor (21) je LiNbO₃ modulátor.
30. 30. Vysílací/přijímací stanice (1), sloužící k příjmu klíče zaslaného z jedné stanice (2) kódování klíče přes kvantový kanál (3), vyznačující se tím, že zahrnuje:

    laser (10),

    - zpožďovací linku zahrnující zrcátka, detektory (17,18,17') interference,

    - první propojovací jednotku (12) jednak připojenou pro rozdělení impulzů z laseru (10) do dvou impulzů, a jednak připojenou pro zaslání prvního impulzu přímo do kvantového kanálu (3), a pro zaslání druhého impulzu do zpožďovací linky, která je upravena pro zpoždění druhého rozděleného impulzu před jeho zasláním do kvantového kanálu (3) a dále upravenou pro rozdělení impulzů přijatých z kvantového kanálu (3) do dvou impulzů a zapojenou pro zaslání prvního takového impulzu přímo do detektorů (17, 18, 17') a pro zaslání druhého impulzu do zpožďovací linky před jeho zasláním do detektorů (17, 18, 17).
31. 31. Vysílací/přijímací stanice podle nároku 30, vyznačující se tím, že má fázový modulátor (13), který je upraven pro modulování fáze impulzů přijatých ze zpožďovací linky.
32. 32. Vysílací/přijímací stanice podle nároku 30, vy z n a č uj í c í se t í m , že fázový modulátor (13) je vytvořen pro náhodnou volbu fázového posunu aplikovaného na zpožděné impulzy.

    - 13CZ 295335 B6
33. 33. Vysílací/přijímací stanice podle předchozího nároku, vy z n ač uj í c í se tím, že fázový modulátor (13) je vytvořen pro náhodnou volbu fázového posunu s hodnotou 0 a π.
34. 34. Vysílací/přijímací stanice podle jednoho z nároků 31 až 33,vyznačující se tím, že fázový modulátor (13) je LiNbO₃ modulátor.
35. 35. Vysílací/přijímací stanice podle nároku 30, vyznačující se tím, že zahrnuje dva detektory (17, 18), první propojovací jednotka (12') je 3x3 propojovací jednotka připojená k detektorům (17, 18), které jsou zapojeny pro zaslání impulzu do prvního detektoru (17) nebo do druhého detektoru (18) v závislosti na interferenci vytvořené v propojovací jednotce (12').
36. 36. Vysílací/přijímací stanice podle nároku 30, vyznačující se tím, že laser (10) je vytvořen pro vysílání světelných impulzů s kruhovou polarizací a první propojovací jednotka (12') je polarizační propojovací jednotkou pro oddělení svislé a vodorovné polarizace impulzů.
37. 37. Vysílací/přijímací stanice podle jednoho z nároků 30 až 36, vyznačující se tím, že zpožďovací linka zahrnuje Faradayho zrcátka (14,16) pro odrážení zpožděných impulzů.
38. 38. Vysílací/přijímací stanice podle jednoho z nároků 30 až 3 7, vyznačující se tím, že detektory (17,18,17') j sou jednofotonové detektory.
39. 39. Vysílací/přijímací stanice podle nároku 38, vyznačující se tím, že detektory (17, 18, 17') jsou zeslabující fotodiody s předpětím s hodnotou za zpětné průrazné závěrné napětí a pracující v Geigerově režimu.
40. 40. Vysílací/přijímací stanice podle jednoho z nároku 30 nebo 39, vy z n a č uj í c í se tím, že jednofotonové detektoiy jsou zapojeny pro aktivaci pro snížení počtu tmavých impulzů pouze v době, kdy je očekáván příchod fotonu.
41. 41. Vysílací/přijímací stanice podle jednoho z nároků 30 až 41, vy z n a č uj í c í se tím, že laserem (10) je laser, který s výhodou produkuje 300ps dlouhé impulzy při 1300 nm s opakovacím kmitočtem 1 kHz.
42. 42. Vysílací/přijímací stanice podle jednoho z nároků 30 až 41, vy z n a č u j í c í se tím, že dále zahrnuje prostředek korekce omylů.
43. 43. Zařízení pro distribuci klíče kvantovým kanálem (3) při použití kvantového šifrování, vyznačující se tím, že obsahuje vysílací/přijímací stanici (1) sloužící kpříjmu klíče zaslaného z jedné stanice (2) kódování klíče přes kvantový kanál (3), zahrnující:

    - laser (10),

    - zpožďovací linku zahrnující zrcátka, detektory (17,18, 17') interference, první propojovací jednotku (12) jednak připojenou pro rozdělení impulzů z laseru (10) do dvou impulzů, a jednak připojenou pro zaslání prvního impulzu přímo do kvantového kanálu (3), a pro zaslání druhého impulzu do zpožďovací linky, která je upravena pro zpoždění druhého rozděleného impulzu před jeho zasláním do kvantového kanálu (3) a dále upravenou pro rozdělení impulzů přijatých z kvantového kanálu (3) do dvou impulzů a zapojenou pro zaslání prvního takového impulzu přímo do detektorů (17, 18, 17') a pro zaslání druhého impulzu do zpožďovací linky před jeho zasláním do detektorů (17, 18, 17), a

    - 14CZ 295335 B6 stanici (2) kódování klíče pro předávání klíče do alespoň jedné vysílací/přijímací stanice (1) kvantovým kanálem (3), zahrnující zrcátko pro odražení prvního impulzu zaslaného vysílací/přijímací stanicí (1) zpět do vysílací/přijímací stanice (1) a rovněž pro odražení druhého impulzu zaslaného vysílací/přijímací stanicí (1) krátce po prvním impulzu zpět do vysílací/přijímací stanice (1) a fázový modulátor (21) upravený pro modulování fáze druhého impulzu vzhledem k prvnímu impulzu.
44. 44. Systém s více stanicemi sloužící k distribuci klíče kvantovým kanálem (3), při použití kvantového šifrování mezi alespoň jednou vysílací/přijímací stanicí (1) a jednou klíč kódující stanicí (2), vyznačující se tím, že obsahuje vysílací/přijímací stanici (1) sloužící k příjmu klíče zaslaného z jedné stanice (2) kódování klíče přes kvantový kanál (3), zahrnující:

    - laser (10),

    - zpožďovací linku zahrnující zrcátka,

    - detektory (17, 18, 17') interference,

    - první propojovací jednotku (12) jednak připojenou pro rozdělení impulzů z laseru (10) do dvou impulzů, a jednak připojenou pro zaslání prvního impulzu přímo do kvantového kanálu (3), a pro zaslání druhého impulzu do zpožďovací linky, která je upravena pro zpoždění druhého rozděleného impulzu před jeho zasláním do kvantového kanálu (3) a dále upravenou pro rozdělení impulzů přijatých z kvantového kanálu (3) do dvou impulzů a zapojenou pro zaslání prvního takového impulzu přímo do detektorů (17, 18, 17') a pro zaslání druhého impulzu do zpožďovací linky před jeho zasláním do detektorů (17, 18, 17), a

    - stanici (2) kódování klíče pro předávání klíče do alespoň jedné vysílací/přijímací stanice (1) kvantovým kanálem (3), zahrnující zrcátko pro odražení prvního impulzu zaslaného vysílací/přijímací stanicí (1) zpět do vysílací/přijímací stanice (1) a rovněž pro odražení druhého impulzu zaslaného vysílací/přijímací stanicí (1) krátce po prvním impulzu zpět do vysílací/přijímací stanice (1) a fázový modulátor (21) upravený pro modulování fáze druhého impulzu vzhledem k prvnímu impulzu.