Авторы — Кынев С.М., Егоров В.И.
ООО «СМАРТС-Кванттелеком»
ООО «СМАРТС-Кванттелеком» занимается разработкой и внедрением систем квантового распределения ключей (КРК), ориентированных не на лабораторные эксперименты, а на реальную телекоммуникационную инфраструктуру. В основе наших решений лежит метод квантового распределения ключей на боковых частотах фазовомодулированного оптического излучения КРКБЧ — subcarrier wave QKD (SCW-QKD). Сегодня этот подход используется в пилотных и промышленных квантовых сетях в Российской Федерации. Однако сам метод возник не вчера — его история насчитывает более двадцати лет и начинается с работ российских и зарубежных учёных середины 1990-х годов.
Настоящая статья открывает серию публикаций, посвящённых методу КРКБЧ и его эволюции — от физической идеи до практической телекоммуникационной технологии. Первая часть носит исторический характер и посвящена возникновению и становлению подхода: от ранних работ Ю. Т. Мазуренко по частотному разделению и интерференции оптических полей до исследований, направленных на масштабирование метода и его применение в сетевых архитектурах.
Во второй статье серии будет рассмотрена физика и математическое описание КРКБЧ, включая используемые модели квантовых состояний, варианты реализации в системах с дискретными и непрерывными переменными, а также возможные обобщения метода для различных сценариев передачи, включая открытое пространство.
Заключительная статья будет посвящена практическому развитию метода в России — от лабораторных макетов, созданных в Университете ИТМО и их испытаний, до промышленных систем квантового распределения ключей «КВАЛИОН», разработанных и внедряемых ООО «СМАРТС-Кванттелеком» в составе университетских, городских и магистральных квантовых сетей связи.
Квантовая криптография на рубеже веков
К концу 1990-х годов квантовая криптография уже сформировалась как самостоятельная научная область. Протоколы BB84 и B92 были детально проработаны теоретически и многократно продемонстрированы в лабораторных условиях. Однако при попытке переноса этих схем в реальные волоконно-оптические линии связи быстро выявились фундаментальные инженерные ограничения.
Поляризационные протоколы оказывались чувствительными к случайным изменениям состояния поляризации в оптическом волокне, что требовало либо активной компенсации, либо использования специализированных волокон. Фазовые схемы на основе интерферометров, в свою очередь, предъявляли жёсткие требования к стабильности оптических путей и нуждались в сложных системах температурной и механической стабилизации, особенно при увеличении длины линии связи.
На этом фоне значительный интерес вызвали двухпроходные (plug-and-play) схемы квантовой криптографии, предложенные в середине 1990-х годов. Их ключевая особенность заключалась в том, что квантовый сигнал проходил одну и ту же линию связи в прямом и обратном направлениях, что позволяло автоматически компенсировать фазовые и поляризационные искажения, накапливающиеся в волокне (рис. 1).
В типичной реализации plug-and-play передатчик и приёмник образуют асимметричную систему, в которой оптические импульсы, сформированные на стороне Боба, отражаются от удалённого зеркального узла у Алисы и возвращаются обратно по тому же волокну. Благодаря этому интерференционные условия на приёмной стороне становятся существенно менее чувствительными к внешним воздействиям и дрейфам параметров линии. Дополнительным подтверждением практической привлекательности двухпроходной архитектуры стало появление на её основе первых коммерческих систем квантового распределения ключей. В частности, подобный принцип был реализован в ряде промышленных решений компании ID Quantique, включая систему Clavis2 получившую распространение в конце 2000-х годов. Эти разработки продемонстрировали, что plug-and-play схемы могут быть доведены до уровня законченного продукта и использоваться вне лабораторных условий, прежде всего в режиме «точка-точка» на ограниченных расстояниях.
Несмотря на очевидные преи��ущества на уровне лабораторных демонстраций, двухпроходная архитектура имела и принципиальные ограничения. Наличие обратного распространения квантового излучения существенно усложняло защиту от активных атак и затрудняло масштабирование таких систем в сетевых и магистральных сценариях. Кроме того, двунаправленный характер передачи накладывал ограничения на тактовую частоту работы: до завершения полного прохода импульса по линии связи запуск новых квантовых импульсов был невозможен из-за мёртвого времени и засветки от синхронизирующих сигналов. На практике это ограничивало частоты генерации ключей в двухпроходных системах величинами порядка десятков мегагерц. В однонаправленных же схемах ограничение по частоте определяется в основном временем открытия гейтов и мёртвым временем однофотонных детекторов, без необходимости ожидания двунаправленного прохода сигнала.
Таким образом, уже к концу 1990-х годов сформировался устойчивый запрос на однонаправленные методы квантового распределения ключей, сохраняющие устойчивость к нестабильностям волоконно-оптической среды, но при этом совместимые с телекоммуникационной инфраструктурой и допускающие дальнейшее масштабирование. Именно в этом контексте начали формироваться альтернативные подходы, ориентированные на однонаправленную передачу и отказ от протяжённых интерферометров.
Работа Ю. Т. Мазуренко и рождение идеи
Одним из таких направлений стали исследования, в которых отказ от пространственно-разнесённых интерферометрических схем компенсировался использованием частотной структуры оптического излучения.
Так появились работы Юрия Тарасовича Мазуренко (рис.2), посвящённые частотному разделению и интерференции оптических полей при их распространении по одной и той же линии связи. Сначала эти исследования, начатые в середине 1990-х годов, были ориентированы не на квантовую криптографию как таковую, а на фундаментальные вопросы интерференции и устойчивости оптических систем в реальных волоконно-оптических каналах. Однако полученные результаты заложили физическую основу метода, который впоследствии стал известен как «квантовое распределение ключей на боковых частотах фазовомодулированного излучения».
Частотное разделение как альтернатива интерферометрам (1994–1995)
Одной из ключевых предпосылок будущих КРКБЧ-систем стала работа П. С. Суна, Ю. Т. Мазуренко и Ю. Файнмана, опубликованная в 1995 году, в которой был предложен одноканальный дальнодействующий интерферометр с частотным разделением оптических волн. В данной схеме оптические поля с различными частотными сдвигами формировались из одного источника, затем передавались по одному и тому же волоконно-оптическому каналу и в итоге интерферировали на приёмной стороне с высокой видностью.
Принципиальным отличием этого подхода от классических интерферометрических схем являлся отказ от пространственно или временно разнесённых плеч. Интерферирующие компоненты распространялись по одной и той же линии связи и, следовательно, испытывали идентичные фазовые и поляризационные искажения, обусловленные внешними воздействиями и нестабильностями волокна. Это обеспечивало высокую устойчивость интерференции без необходимости активной компенсации параметров канала (рис. 3).
Важно подчеркнуть, что в рамках данной работы речь ещё не шла о квантовой криптографии. Тем не менее было продемонстрировано, что частотная структура оптического сигнала может служить полноценной степенью свободы для интерференции, эквивалентной пространственной или временной. Этот вывод впоследствии стал фундаментальным для переноса идеи в область квантовой передачи информации и, в конечном счёте, для формирования метода КРКБЧ.
Переход к КРК на боковых частотах (1998–1999)
Переход к системам квантовой криптографии в частотном спектре был сделан в конце 1990-х годов, когда Ю. Т. Мазуренко совместно с Ж.-М. Мероллой и Ж.-П. Годжебюром предложил использовать фазовую модуляцию непрерывного лазерного излучения для передачи квантовой информации. Основные идеи данного подхода были изложены в работах 1998–1999 годов, посвящённых квантовой передаче информации с использованием поднесущей (боковой) частоты. (Мазуренко Ю. Т., Меролла Ж.-М., Годжебюр Ж.-П. Квантовая передача информации с помощью поднесущей частоты. Применение к квантовой криптографии // Оптика и спектроскопия. — 1999. — Т. 86. — С. 181–186.)
В отличие от ранее рассмотренных интерферометрических схем, в данном подходе интерференция реализовывалась не между пространственно или временно разнесёнными оптическими путями, а между спектральными компонентами одного и того же сигнала. Принципиальная архитектура такой системы квантовой передачи информации, включающая фазовую модуляцию оптической несущей и последующее детектирование боковых частот на стороне приёмника, приведена на рис. 4.
Оптическая несущая подвергалась фазовой модуляции с малой глубиной модуляции, в результате чего в спектре излучения формировались симметричные боковые частоты. Спектральная структура фазово-модулированного сигнала, лежащая в основе данного подхода, показана на рис. 5. Амплитуда боковых компонентов могла быть выбрана так, что среднее число фотонов в них за интервал передачи бита становилось существенно меньше единицы, что позволяло использовать их в качестве носителей квантовой информации.
Кодирование информации осуществлялось за счёт управления фазой модуляции, а детектирование — посредством интерференции боковых частот на стороне приёмника. Принципиально важно, что несущая и боковые частоты формировались одним и тем же лазерным источником и совместно распространялись по волоконно-оптической линии связи, что обеспечивало их одинаковую чувствительность к фазовым и поляризационным искажениям канала.
В результате был реализован однонаправленный метод квантовой передачи информации, в котором устойчивость к нестабильностям линии связи достигалась не за счёт двухпроходной архитектуры, а за счёт внутренней спектральной согласованности сигнала. Этот подход заложил физическую основу метода квантового распределения ключей на боковых частотах фазово-модулированного излучения.
Экспериментальная демонстрация квантовой интерференции (1999)
Физическая реализуемость предложенного метода была экспериментально подтверждена в 1999 году в работах, опубликованных в журналах Physical Review Letters и Optics Letters. В этих экспериментах была продемонстрирована интерференция боковых частот фазово-модулированного оптического излучения в режиме одиночных фотонов, что являлось ключевым условием для применения метода в квантовой криптографии.
Экспериментальная установка строилась на основе однонаправленной оптической линии связи с фазовой модуляцией на стороне передатчика и синхронизированной фазовой модуляцией на стороне приёмника. Оптическая несущая и боковые частоты формировались одним лазерным источником и совместно распространялись по волоконно-оптическому каналу, после чего на приёмной стороне осуществлялась интерференция спектральных компонентов. Принципиальная схема экспериментальной установки приведена на рис. 6.
Для количественной оценки интерференционных свойств системы измерялась скорость счёта фотонов (count rate) в зависимости от разности фаз между модуляторами передатчика и приёмника. Полученные зависимости демонстрировали выраженную интерференционную картину с высокой видимостью, сохранявшуюся даже при среднем числе фотонов, существенно меньшем единицы. Характерная экспериментальная зависимость скорости счёта от фазового сдвига показана на рис. 7.
Продемонстрированная интерференция боковых частот в квантовом режиме показала, что спектральные компоненты фазово-модулированного излучения могут выступать в роли когерентных квантовых состояний, пригодных для кодирования и детектирования квантовой информации. Тем самым была экспериментально подтверждена возможность реализации квантового распределения ключей без использования протяжённых интерферометров и двухпроходных схем, что принципиально отличало данный подход от большинства существовавших на тот момент реализаций.
Квантовая криптография на боковых частотах и спектральное мультиплексирование
Экспериментальная демонстрация квантовой интерференции боковых частот в 1999 году окончательно подтвердила физическую реализуемость метода квантового распределения ключей на основе фазово-модулированного оптического излучения. Однако на этом этапе КРКБЧ оставалась, по сути, решением «точка-точка», ориентированным на передачу одного квантового канала по одной оптической несущей.
Дальнейшее развитие метода было связано уже не с фундаментальными вопросами интерференции, а с задачами масштабирования, спектральной эффективности и интеграции в существующие волоконно-оптические сети. Возникал естественный вопрос: возможно ли использовать частотную степень свободы не только для устойчивой передачи одного квантового сигнала, но и для параллельного распределения нескольких независимых квантовых ключей в рамках одной оптической инфраструктуры.
Существенный вклад в решение этих задач внесла группа испанских ученых под руководством Х. Капмани, последовательно развивавшая концепцию subcarrier multiplexed QKD (SCM-QKD) в контексте микроволновой фотоники и пассивных оптических сетей. В их работах начала 2010-х годов подход КРКБЧ был переосмыслен как элемент многоуровневой сетевой архитектуры, допускающей одновременное использование частотного и спектрального мультиплексирования и ориентированной на многопользовательские сценарии распределения ключей.
Именно в этих исследованиях метод квантового распределения ключей на боковых частотах впервые был рассмотрен не только как физический механизм, но и как масштабируемая сетевая технология, потенциально совместимая с архитектурами WDM-PON и гибридными оптическими сетями доступа. При этом большинство рассмотренных решений относилось к лабораторным и пилотным конфигурациям, что оставляло открытым вопрос их масштабирования по дальности и потерям.
В теоретическом анализе были рассмотрены различные топологии пассивных оптических сетей — «звезда», «шина» и «кольцо» — с точки зрения потерь, спектральной эффективности и возможности параллельного распределения квантовых ключей. Было показано, что спектрально маршрутизируемые архитектуры обладают принципиальными преимуществами по сравнению с широковещательными схемами, поскольку не требуют деления мощности между пользователями и лучше масштабируются по числу квантовых каналов (рис. 8). Таким образом было показано, что спектрально маршрутизируемые архитектуры обладают наилучшими характеристиками по потерям и достижимой скорости распределения ключей.
Cледующим этапом стали экспериментальные работы, в которых была продемонстрирована параллельная передача нескольких независимых квантовых ключей с использованием радиочастотных боковых частот в рамках одной оптической длины волны. В этих экспериментах каждая боковая частота кодировала собственный квантовый канал, при этом суммарная скорость генерации ключей масштабировалась с числом боковых, а квантовая ошибка оставалась на уровне, приемлемом для практических применений (рис. 9)
В работах группы Х. Капмани КРКБЧ был впервые последовательно рассмотрен как элемент многоуровневой сетевой архитектуры, допускающей одновременное использование частотного и спектрального мультиплексирования и совместимую с существующей инфраструктурой сетей доступа. Эти исследования обозначили переход от квантовых систем в режиме «точка-точка» к многопользовательским квантовым сетям и подготовили почву для дальнейших практических реализаций метода.
Сравнение ключевых этапов развития ��РКБЧ/SCM-QKD
Для наглядного сопоставления основных этапов развития метода квантового распределения ключей на боковых частотах в табл. 1 приведено сравнение ранних работ, заложивших физические основы подхода, и последующих исследований, ориентированных на его масштабирование и сетевое применение.
Таблица 1. Сравнение ключевых этапов развития КРКБЧ/SCM-QKD
Характеристика | Работы Ю. Т. Мазуренко и соавт. (1995–2001) | Работы Х. Капмани (2009–2012) |
Основная цель | Демонстрация физического принципа | Масштабирование и сетевое применение |
Кодирование | Фазовая модуляция, одна пара боковых частот | Несколько пар боковых частот (SCM) |
Тип системы | Точка–точка | Многопользовательская, сетевая |
Интерференция | Между боковыми частотами одного сигнала | То же, с параллельными каналами |
Мультиплексирование | Отсутствует | Мультиплексирование нескольких боковых частот + WDM |
Работа с PON | Не рассматривалась | Подробный теоретический и экспериментальный анализ |
Совместимость с классическим трафиком | Ограниченная | Продемонстрирована экспериментально |
Основной вклад | Физический фундамент КРКБЧ | Архитектура масштабируемых КРК-сетей |
Заключение
Метод квантового распределения ключей на боковых частотах фазово-модулированного оптического излучения прошёл путь от оригинальной физической идеи до масштабируемой сетевой технологии, совместимой с современной телекоммуникационной инфраструктурой. Работы Ю. Т. Мазуренко заложили фундаментальный принцип устойчивой интерференции спектральных компонент в реальных волоконно-оптических линиях связи, а последующие экспериментальные исследования подтвердили его применимость в квантовом режиме. Дальнейшее развитие метода было связано с переходом от схем «точка-точка» к многопользовательским архитектурам: исследования группы Х. Капмани показали, КРКБЧ могут быть использованы для параллельного распределения нескольких независимых квантовых ключей и интегрированы в пассивные оптические сети и гибридные WDM/SCM архитектуры, тем самым сформировав основу для практического внедрения метода в сетевых сценариях.
