Обзор и моделирование типовых аппаратных архитектур систем квантового распределения ключей

Abstract

Актуальность исследования обусловлена предстоящим широким внедрением квантовых технологий в существующую информационно-телекоммуникационную инфраструктуру. Эффективное внедрение невозможно без предварительного анализа и обоснования достаточности и безопасности систем квантового распределения ключей. Это в свою очередь предполагает исследование и формализованное сравнение аппаратных архитектур, положенных в основу этих систем. Эффективным инструментом для решения последней задачи является компьютерное моделирование. Цель состоит в исследовании и систематизации типовых аппаратных архитектур систем квантового распределения ключей, их моделировании и верификации созданных моделей. Объектом являются практические архитектуры систем квантового распределения ключей. Методы: математическое описание оптических систем на основе формализма Джонса, имитационное моделирование в среде Simulink Matlab. Результаты. Реализована имитационная модель типовой системы квантового распределения ключей, использующей архитектуру Plug-n-Play. Корректность модели показана путём демонстрации толерантности к искажениям поляризации при передаче в волоконно-оптическом канале связи. Созданные модели оптических компонентов в Simulink могут использоваться для построения моделей систем других архитектур

Relevance. The upcoming widespread implementation of quantum technologies into the existing information and telecommunication infrastructure. Effective deployment is impossible without a preliminary analysis and justification of the adequacy and security of quantum key distribution systems. This, in its turn, necessitates the investigation and formalized comparison of the hardware architectures underlying these systems. An effective tool for addressing this challenge is computer modeling. Aim. To investigate, classify, and model typical hardware architectures of the quantum key distribution systems, as well as to verify the accuracy of the developed models. Object. Practical hardware architectures of the quantum key distribution systems. Methods. Mathematical modeling of optical systems based on Jones formalism, simulations in Simulink Matlab. Results. The authors have developed a simulation model of a typical quantum key distribution system utilizing the Plug-and-Play architecture. The model validity is confirmed by its robustness against polarization distortions in fiber-optic transmission. The developed optical component models in Simulink can also be applied to the simulation of other quantum key distribution system architectures