1. Введение Непрерывное совершенствование технологии производства радиоматериалов и принципов конструирования аппаратуры привело к тому, что параметры значительного числа радиоустройств, предназначенных для работы в обычном интервале температур, приблизились к теоретически достижимому пределу. Это означает, что возможности, определяемые свойствами веществ, из которых изготовлены компоненты радиоаппаратуры, при комнатных температурах во многом уже исчерпаны. Использование низких температур позволяет преодолеть это препятствие и открывает новые пути в разработке радиоэлектронных систем. В последние годы по всему миру активно разрабатываются системы квантовой криптографии. В лаборатории кафедры ведутся работы по созданию фотодетекторов для систем квантовой криптографии. Требование высокой чувствительности, вплоть до регистрации единичных фотонов, и низкого уровня ложных срабатываний приводит к необходимости использования в качестве чувствительного элемента лавинного фотодиода, охлажденного до низких температур. Так как характеристики фотодиода сильно зависят от температуры, ее необходимо стабилизировать с высокой точностью. Типовые значения рабочих температур фотодиодов -50…-80 оС при точности ее поддержания не хуже десятых долей градуса. При исследовании экспериментальных моделей фотодетекторов необходимо также изменение температуры, что повышает требования к оптимизации переходных процессов, возникающих в системе регулирования. Все это в сочетании с высокой точностью поддержания температуры вплоть до предельно низких значений, требует тщательного расчета и экспериментальной проработки не только электронной части системы охлаждения, но и конструкции устройства. Таким образом, целью данной работы является: - создание автономной и компактной системы охлаждения фотодиодов до температуры -50…-60 оС; - разработка системы автоматического регулирования (САР) для поддержания заданной температуры фотодиодов с точностью до 0.1 оС. В NTNU ведутся работы по созданию квантовой криптографической системы передачи ключа с фазовым кодированием. Эта работа требует не только настройки оптических компонентов, но и написания программного обеспечения. В мою задачу входило создание программы для осуществления передачи ключа между двумя объектами и вычисления процента ошибки (QBER (Quantum Bit Error Rate)), а также реализация блокировки сопровождающего импульса сигнала (afterpulse blocking) на программном уровне. Необходимо было получить значение QBER<11%. Также в дипломе рассмотрены принципы криптографии, приведено сравнение классических и квантовых криптосистем, и объяснено преимущество квантовых систем с фазовым кодированием.
Содержание (Table of Contents) 1. Введение…………………………………………………………………5 2. Обзор литературы…………………………………………….………..7 2.1. Методы стабилизации низких температур с помощью элементов Пельтье……………………………………………………..7 2.1.1. Методы охлаждения………………………………………….7 2.1.2. Эффект Пельтье……………………………………………….8 2.1.3. Особенности применения модулей Пельтье……………….12 2.1.4. Теплоизоляция………………………………………………..13 2.1.5. Измерение температуры……………………………………..14 2.1.6. Автоматическое регулирование……………………………..16 2.1.7. Виды САР……………………………………………………..18 2.1.8. Устойчивость САР……………………………………………19 2.1.9. Качество процессов регулирования…………………………20 2.2. Эксперимент по квантовой передаче ключа (Quantum key distribution experiment: cryptography overview)………………21 2.2.1. Описание (Abstract)..…………………………………………..21 2.2.2. Введение (Introduction)………………………………………..21 2.2.3. Классическая криптография (Classical Cryptography)………22 2.2.4. Квантовая криптография (Quantum Cryptography)………….26 2.2.5. Системы с фазовым кодированием (Phase coding QKD system)………………………………………………………….31 2.2.6. Эксперименты (Experimental QKD)………………………….33 3. Разработка охладителя…………………………………………………36 3.1. Выбор конструкции охладителя……………………………...…..36 3.2. Выбор типов элементов Пельтье…………………………………42 3.3. Измеритель температуры…………………………………………43 4. Система автоматического регулирования температуры………….47 4.1. Построение САР…………………………………………………..47 4.2. Схема САР…………………………………………………………50 4.3. Выбор коэффициентов КИ и КУ………………………………..…53 5. Экспериментальная установка (QKD Experimental Set-up)….……61 5.1. Оптическая часть установки (Optical part of the set-up)…………61 5.2. Электронная часть установки (Electronic part of the set-up)….....66 5.3. Программное обеспечение (Software)……………………………72 6. Сопровождающий импульс сигнала (Afterpulsing effect)…………..74 7. Эксперимент по квантовой передаче ключа (QKD experiment)…..77 7.1. Вычисление числа фотонов в импульсе (Calculation of the number of photons per pulse)………………...………….…………………..78 7.2. Первые экспериментальные результаты (First experimental results)………………………………………………………………80 7.3. Окончательные результаты (Results with the completed set-up)...84 8. Выводы (Conclusion)…………………………...………………………..89 9. Благодарности (Acknowledgements)……………………...……………90 10. Охрана труда……………………………………………………………..91 11. Заключение……………………………………………………………….98 Список литературы (References)………………………………………...100 Приложение 1………………………………………………………………105 Приложение 2………………………………………………………………107 Приложение 3………………………………………………………………108 Приложение 4………………………………………………………………110 Приложение 5………………………………………………………………111 Приложение 6 (Appendix 6. Semiconductor laser Fujitsu FLD3F6CX data and test sheet)………………………………………………………………...113 Приложение 7 (Appendix 7. Soviet-made FD312L germanium avalanche photodiode (APD), data sheet)……………………………………………….118 Приложение 8 (Appendix 8. Schematic of the distribution buffer)………..120 Приложение 9 (Appendix 9. Quantum key distribution experiment. Interconnection diagram and equipment settings)……………………………121 Приложение 10 (Appendix 10. Synchronization of the generators)……….122
Список литературы (References) 1. Архаров А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. «Теория и расчет криогенных систем». – Москва, Машиностроение, 1978 г. 2. Алфеев В.Н. «Полупроводники, сверхпроводники и параэлектрики в криоэлектронике». – Москва, Советское радио, 1979 г. 3. http://www.kryotherm.ru. 4. Мухачев Г.А., Щукин В.К. «Термодинамика и теплопередача». – Москва, Высшая школа, 1991 г. 5. Шорников Е.А. «Электронные приборы для контроля и автоматического регулирования температуры». – Москва - Ленинград, Энергия, 1964 г. 6. Клюев А.С. «Автоматическое регулирование». – Москва, Высшая школа, 1986 г. 7. Бесекерский В.А., Попов Е.П. «Теория систем автоматического управления». – Санкт-Петербург, Профессия, 2003 г. 8. Глинков Г.М. «Основы теории и элементы систем автоматического регулирования». – Москва, Металлургия, 1987 г. 9. Чинаев П.И. «Беседы по автоматике». – Киев, Технiка, 1973 г. 10. W. Diffie and M. Hellman, “New directions in cryptography”, IEEE Trans. Inf. Theory IT-22, 1967, pp. 644-654. 11. W. Tittel, G. Rribordy and N. Gisin, “Quantum Cryptography”, Physics World, Vol. 11, № 3, March 1998, pp. 41-45. 12. R.L. Rivest, A. Shamir and L. Adleman, “A method for obtaining digital signatures and public-key cryptosystems”, Communications of the ACM 21, 1978, pp. 120-126. 13. C. Metz, “Special Report: Quantum Cryptography Arrives”, August 2002, http://www.pcmag.com/article2/0%2C1759%2C440474%2C00.asp. 14. P.W. Shor, “Proceedings of the 35th Annual Symposium on the Foundations of Computer Science”, IEEE Computer Society, Los Alamitos, CA, 1994, p. 124. 15. G. Vernam, “Cipher printing telegraph systems for secret wire and radio telegraphic communications”, J. Am. Inst. Electr. Eng. 45, 1926, pp. 109-115. 16. The Federal Information Processing Standards Publication Series of the National Bureau of Standards (NBS), “Data encryption standard”, 1993, http://www.itl.nist.gov/fipspubs/fip46-2.htm 17. R. N. Srinivas, “AES: cryptography advances into the future”, 2000, http://www.javaworld.com/javaworld/jw-04-2000/jw-0428-aes_p.html 18. W.Stellings, “Safety and efficiency of the AES”, 2003, http://www.osp.ru/nets/2003/07/038_1.htm 19. C.H. Bennett, G. Brassard and A.K. Ekert, “Quantum Cryptography”, Scientific American, October 1992, pp. 26-33. 20. S. Wiesner, “Conjugate coding”, SIGACT News 15, 1983, pp. 78-88. 21. C.H. Bennett, and G. Brassard, “Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing”, in Proceedings of IEEE International Conference on computers, Systems and Signal processing (Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, 1984), pp. 175-179. 22. J. Ford, “Quantum Cryptography Tutorial”, 1996, http://www.cs.dartmouth.edu/~jford/crypto.html. 23. N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel and H. Zbinden, “Quantum Cryptography”, Reviews of Modern Physics, Vol. 74, № 1, January 2002, pp. 145-195. 24. P.D. Townsend, J.G. Rarity and P.R. Tapster, “Single photon interference in 10 km long optical fibre interferometer”, Electronics Letters, Vol. 29, № 7, April 1993. 25. C.H. Bennett, F. Bessette, G. Brassard, L. Salvail and J. Smolin, “Experimental Quantum Cryptography”, Journal of Cryptology, Vol. 5, 1992, pp.3-28. 26. A. Muller, J. Breguet and N. Gisin, “Experimental demonstration of quantum cryptography using polarized photons in optical fibre over more 1 km”, Europhys. Lett. 23, 1993, pp. 383-388. 27. A. Muller, H. Zbinden and N. Gisin, “Quantum cryptography over 23 km in installed under-lake telecom fibre”, Europhys. Lett. 33, 1996, pp. 335-339. 28. C. Marand and P.D. Townsend, “Quantum key distribution over distances as long as 30 km”, Optics Letters, Vol. 20, № 16, August 1995, pp. 1695-1697. 29. H. Zbinden, J.-D. Gautier, N. Gisin, B. Huttner, A. Muller and W. Tittel, “Interferometry with Faraday mirrors for quantum cryptography”, Electron. Lett. 33, 1997, pp. 586-588. 30. D. Stucki, N. Gisin, O.Guinnard, G. Ribordy and H. Zbinden, “Quantum key distribution over 67 km with a plug&play system”, New Journal of Physics, Vol. 4, July 2002. 31. C. Kurtsiefer, P. Zarda, M. Halder, H. Weinferter, P.M. Gorman, P.R. Tapster and J.G. Rarity, “ Quantum cryptography: A step towards global key distribution”, Nature, Vol. 419, October 2002. 32. Фрунзе А. «Практика создания ПИ-регуляторов». – Схемотехника №3, декабрь 2000 г., стр.2-7, http://www.dian.ru/. 33. A. Brylevski, Master thesis “Quantum key distribution: Real-time compensation of interferometer phase drift”, 2002, http://www.vad1.com/qcr/alexey. 34. A. Kuhn, M. Hennrich and G. Rempe, “Deterministic Single-Photon Source for Distributed Quantum Networking”, Physical Review Letters, Vol. 89, № 6, August 2002. 35. C.L. Foden, V.I. Talyanskii, G.J. Milburn, M.L. Leadbeater and M. Pepper, “High Frequency Acousto-electric Single Photon Source”, 2000, http://eprint.uq.edu.au/archive/00000253. 36. C. Santory, M. Pelton, G. Solomon, Y. Dale and Y. Yamamoto, “Triggered Single Photons from a Duantum Dot”, Physical Review Letters, Vol. 86, № 8, February 2001, pp. 1502-1505. 37. T. Nesheim, Master thesis “Single photon detection using avalanche photodiode”, 1999, http://www.vad1.com/qcr/torbjoern. 38. K. Vylegjanine, Master thesis “High-speed single photon detector for quantum cryptosystems”, 2000, http://www.vad1.com/qcr/kirill. 39. A. Vakhitov, V. Makarov and D.R. Hjelme, ”Large pulse attack as a method of conventional optical eavesdropping in quantum cryptography”, Journal of Modern Optics, Vol. 48, № 13, 2001, pp. 2023-2038. 40. V. Makarov, A. Brylevski and D.R. Hjelme, “Real-time phase tracking in single-photon interferometers”, Applied Optics (to be published, 2004). 41. D. Stucki, G. Ribordy, A. Stefanov, H. Zbinden, J.G. Rarity and T. Wall, “Photon counting for quantum key distribution with Peltier cooled InGaAs/InP APD’s”, June 2001, http://citebase.eprints.org/cgi-bin/citations?id=oai:arXiv.org:quant-ph/0106007. 42. G. Ribordy, J.D. Gautier, H. Zbinden and N. Gisin, “Performance of InGaAs/InP avalanche photodiodes as gated-mode photon counters”, Applied Optics, Vol. 37, № 12, 1998, pp. 2272-2277. 43. The threshold value of QBER is still being discussed. Most of the recent strict security analyses, howewer, put it at 11%. For review, see for example: N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel and H. Zbinden, “Quantum Cryptography”, Reviews of Modern Physics, Vol. 74, № 1, January 2002, pp. 145-195. M. Bourenanne, A. Karlsson, G. Bjork, N. Gisin and N.J. Cerf, ”Quantum key distribution using multilevel encoding: security analysis”, J. Phys. A: Math. Gen. 35 (2002) 10065–10076. 44. Долин П.А. «Основы техники безопасности в электроустановках». – Москва, Энергия, 1979 г. 45. Малоян К.Р. «Безопасность жизнедеятельности. Учебное пособие». – Санкт-Петербург, изд-во СПбГТУ, 1994 г. 46. D. Bouwmeester, A. Ekert and A. Zeilinger, ”The physics of Quantum Information”, International, Springer 2000.