Профессор Черепанов А. С. Дипломный проект Тема: системы квантовой криптографии (quantum cryptography systems) Специальность: 201500 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура»




НазваниеПрофессор Черепанов А. С. Дипломный проект Тема: системы квантовой криптографии (quantum cryptography systems) Специальность: 201500 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура»
страница1/7
Дата18.04.2013
Размер0.58 Mb.
ТипДиплом
  1   2   3   4   5   6   7
Министерство образования Российской Федерации




Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет


Радиофизический факультет Допустить работу к защите


Кафедра радиофизики Зав. кафедрой д.ф.-м.н.

профессор





Черепанов А.С.


Дипломный проект




Тема: СИСТЕМЫ КВАНТОВОЙ КРИПТОГРАФИИ

(QUANTUM CRYPTOGRAPHY SYSTEMS)


Специальность: 201500 – «Бытовая радиоэлектронная аппаратура»




Выполнил студент гр. 6091/2: Чижов М.Н.




Руководитель работы, к.ф.-м.н., доцент: Медведев А.В.


Консультанты по работе:

аспирант Анисимов А.А.




аспирант (NTNU) Макаров В.В.


Консультант по

охране труда, к.т.н. доцент: Малышев В.П.

Санкт-Петербург


2004

Содержание (Table of Contents)

  1. Введение…………………………………………………………………5

  2. Обзор литературы…………………………………………….………..7

2.1. Методы стабилизации низких температур с помощью элементов Пельтье……………………………………………………..7

      1. Методы охлаждения………………………………………….7

      2. Эффект Пельтье……………………………………………….8

      3. Особенности применения модулей Пельтье……………….12

      4. Теплоизоляция………………………………………………..13

      5. Измерение температуры……………………………………..14

      6. Автоматическое регулирование……………………………..16

      7. Виды САР……………………………………………………..18

      8. Устойчивость САР……………………………………………19

      9. Качество процессов регулирования…………………………20

    1. Эксперимент по квантовой передаче ключа (Quantum key distribution experiment: cryptography overview)………………21

      1. Описание (Abstract)..…………………………………………..21

      2. Введение (Introduction)………………………………………..21

      3. Классическая криптография (Classical Cryptography)………22

      4. Квантовая криптография (Quantum Cryptography)………….26

      5. Системы с фазовым кодированием (Phase coding QKD system)………………………………………………………….31

      6. Эксперименты (Experimental QKD)………………………….33

  1. Разработка охладителя…………………………………………………36

    1. Выбор конструкции охладителя……………………………...…..36

    2. Выбор типов элементов Пельтье…………………………………42

    3. Измеритель температуры…………………………………………43

  2. Система автоматического регулирования температуры………….47

    1. Построение САР…………………………………………………..47

    2. Схема САР…………………………………………………………50

    3. Выбор коэффициентов КИ и КУ………………………………..…53

  3. Экспериментальная установка (QKD Experimental Set-up)….……61

    1. Оптическая часть установки (Optical part of the set-up)…………61

    2. Электронная часть установки (Electronic part of the set-up)….....66

    3. Программное обеспечение (Software)……………………………72

  4. Сопровождающий импульс сигнала (Afterpulsing effect)…………..74

  5. Эксперимент по квантовой передаче ключа (QKD experiment)…..77

    1. Вычисление числа фотонов в импульсе (Calculation of the number of photons per pulse)………………...………….…………………..78

    2. Первые экспериментальные результаты (First experimental results)………………………………………………………………80

    3. Окончательные результаты (Results with the completed set-up)...84

  6. Выводы (Conclusion)…………………………...………………………..89

  7. Благодарности (Acknowledgements)……………………...……………90

  8. Охрана труда……………………………………………………………..91

  9. 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

Данный диплом состоит из двух частей. Работа над первой частью велась в лаборатории кафедры, ее тема: «Методы стабилизации низких температур с помощью элементов Пельтье». В ней описывается создание системы охлаждения фотодетектора, который используется в системах квантовой криптографии.

Вторая часть диплома была написана по результатам работы, которая проводилась во время моего пребывания (январь 2004 – июль 2004) в Норвежском университете науки и технологии (NTNU, г. Тронхейм) и финансировалась Норвежским государственным образовательным заемным фондом (State Educational Loan Fund). Тема этой части: «Эксперимент по квантовой передаче ключа» («Quantum Key Distribution experiment»). В ней описывается установка для квантовой передачи ключа с фазовым кодированием, ее программное обеспечение и результаты проведенных экспериментов. Эта часть приведена на английском языке.

  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.


2. Обзор литературы


    1. Методы стабилизации низких температур с помощью элементов Пельтье

2.1.1 Методы охлаждения

По способу получения холода циклы криогенных установок подразделяются на три группы, каждая из которых включает ряд типов в зависимости от процесса охлаждения.

  1. Циклы для термомеханической системы, в которой рабочим веществом является газ или жидкость.

  2. Циклы с использованием рабочего вещества в твердом состоянии.

  3. Прочие циклы. К этой группе можно отнести циклы, основанные на использовании особых свойств такого рабочего вещества как изотопы гелия.

Сжатие газа является необходимым и важнейшим процессом холодильного цикла при использовании газообразных рабочих тел. Процессы сжатия реализуются в компрессорных машинах и могут протекать по-разному в машинах различных типов. Анализ экспериментальных данных существующих рефрижераторов, работающих по циклам Джоуля-Томсона, Клода, обратному циклу Стирлинга, Мак Магона-Джиффорда, показывает принципиальную трудность при конструировании всех криогенных газовых установок: уменьшение КПД и уменьшение холодопроизводительности при микроминиатюризации конструкции.

Электронные охладители любого типа отличаются от газовых машинных охладителей отсутствием механических подвижных деталей, объемных полостей и т. д. Поэтому размерный фактор, ограничивающий создание газовых микрокриогенных установок минимальной холодопроизводительности, в электронных – не является ограничением. Электронные методы охлаждения принципиально отличаются от всех известных тем, что при их использовании электрическая энергия непосредственно создает тепловой поток без применения какого-либо движущегося жидкого или газообразного рабочего тела. Поэтому электронные охладители не нуждаются в обслуживании и ремонте и могут работать длительное время, позволяя в принципе объединить электронный микроохладитель с электронной схемой в одной конструкции.

Существуют два электронных метода получения криогенных температур: с отсутствием переноса носителей заряда и с использованием явлений переноса [1,2]. К последнему относится термоэлектрический метод (эффект Пельтье).

Требование автономности фотодетектора и малых его габаритов не позволяет использовать для достижения низких температур сжиженные газы и компрессорные холодильники. Таким образом, наиболее подходящими для использования в таких системах являются термоэлектрические модули, работающие на основе эффекта Пельтье. Эти модули серийно выпускаются промышленностью, надежны и находят широкое применение в различных устройствах.


      1. Эффект Пельтье

В основе метода термоэлектрического охлаждения лежит эффект Пельтье (1834 г.), который заключается в выделении (или поглощении) теплоты Q в месте контакта двух различных проводников, включенных в электрическую цепь, при прохождении через нее электрического тока. Рабочей средой в такой электрической цепи из двух разнородных проводников является электронный газ, который переносит энергию от холодного контакта к теплому. Эффект Пельтье у металлов невелик, тогда как у полупроводников он во много раз выше; особенно значителен он в парах разнородных полупроводников дырочного (p) и электронного (n) типа. Схема термоэлемента, состоящего из двух последовательно соединенных полупроводниковых ветвей А и В, приведена на рис.1. При прохождении тока поглощается теплота Qх при температуре Тх на холодном конце элемента и выделяется теплота Qо при температуре То на теплом конце. Количество теплоты прямо пропорционально току, проходящему через термопару:

Q = П·I , где П – коэффициент Пельтье.



Рис.1 Схема термоэлемента, состоящего из пары полупроводников


Коэффициент П можно выразить через коэффициент а термо-ЭДС; термо-ЭДС Е = а·Т , здесь Т – температура спая. Причем, П = а·Т. Полную термо-ЭДС пары проводников А и В определяют как разность их абсолютных значений для каждого проводника; при этом а = аА – аВ. Таким образом, теплота, поглощаемая в единицу времени на холодном конце, т.е. холодопроизводительность элемента (при отсутствии потерь), Вт

Qох = (аА – аВ)·I·Тх .

Увеличение силы тока приводит к росту Qох , но одновременно увеличиваются и потери за счет джоулевой теплоты:

QДж = ½·I2·R .

Другой источник потерь обусловлен теплопроводностью ветвей элемента

QТ = К·(То – Тх) , где (- коэффициент теплопроводности; l и f – соответственно длина и площадь поперечного сечения каждой ветви термоэлемента).

Уравнение теплового баланса для контакта, находящегося в холодной зоне, при отсутствии теплопритока из окружающей среды запишем в виде

А – аВ)·I·Tх = Qх + ½·I2·R + K·(To – Tх) ,

где Qх – полезный эффект охлаждения, обеспечиваемый термоэлементом.

Минимально возможную температуру можно Tх достичь при Qх = 0, тогда соответствующая разность температур равна

То – Тх = {(аА – аВ)·I·Tx – ½·I2·R}/K .

Поэтому, если термоэлемент используется для охлаждения, то для эффективной работы необходимо обеспечить беспрепятственное рассеивание мощности на горячем спае [1].

Отсюда можно найти оптимальную силу тока Iopt , соответствующую наибольшей разности температур.

Iopt = {(aA – aB)·Tx}/R .

Для производства термоэлектрических модулей используется сплав теллура и висмута с добавками селена и сурьмы. Слитки выращенного материала нарезаются на прямоугольные ветки с квадратным сечением. Последовательно соединенные две ветки разной проводимости образуют термоэлектрическую пару (рис.2). Для изготовления термоэлектрического модуля термоэлектрические пары соединяются последовательно по току (параллельно по тепловому потоку) между двух керамических пластин. Внутренняя структура модуля Пельтье представлена на рис.3 [3].





Рис.2 Модуль Пельтье на полупроводниках p- и n типа




Рис.3 Структура модуля Пельтье


Увеличения эффективности и температурного перепада можно достичь при использовании многокаскадных схем. В каскадной термобатарее несколько элементов последовательно охлаждают друг друга; полезный эффект создается на нижнем первом каскаде. Холодный конец второго каскада отводит теплоту от первого и, в свою очередь охлаждается верхним третьим каскадом, передающим в окружающую среду теплоту. Термоэлементы в зоне контакта электроизолированы один от другого. С увеличением числа ступеней отвода теплоты холодильный коэффициент существенно возрастает [1].

2.1.3 Особенности применения модулей Пельтье

Охлаждающие устройства на основе термоэлектрических модулей выполняют те же функции, что и традиционные компрессионные или абсорбционные агрегаты холодильников, работающие на основе хладагентов. Однако использование термоэлектрических модулей, представляющих собой, по сути, твердотельные тепловые насосы, имеет ряд преимуществ:

· отсутствие в блоке охлаждения движущихся частей и рабочей жидкости;

· бесшумность работы;

· малый размер и вес охлаждающей системы, возможность построения микроминиатюрных охладителей;

· высокая надежность термоэлектрического модуля;

· легкость управления и возможность прецизионной регулировки температуры;

· низкая стоимость при высокой эффективности работы;

· возможность работы в любом положении.

Указанные преимущества делают термоэлектрические модули очень популярными, что подтверждается постоянным ростом спроса на них во всем мире и возникновением новых областей их использования. Однако если приведенные выше факторы не являются доминирующими, то термоэлектричество нельзя рассматривать как единственный способ решения всех проблем охлаждения, и при выборе принципа охлаждения для данной конкретной задачи следует руководствоваться сравнением различных принципов по критерию "эффективность/стоимость" [3].

Кроме перечисленных преимуществ, модули Пельтье обладают и специфическими свойствами, которые необходимо учитывать при их эксплуатации:

  • Модули Пельтье, выделяющие в процессе работы большое количество тепла, требуют наличия в составе кулера соответствующих радиаторов и вентиляторов, способных эффективно отводить избыточное тепло. При этом термоэлектрические модули отличаются относительно низким коэффициентом полезного действия, и сами являются источниками тепла. Использование данных модулей в составе средств охлаждения электронных компонентов вызывает значительный рост температуры внутри блока, что нередко требует дополнительных мер и средств для снижения температуры внутри корпуса. В противном случае повышенная температура создает трудности для работы не только охлаждаемых элементов и их систем охлаждения, но и остальным компонентам прибора. Также необходимо отметить, что модули Пельтье являются сравнительно мощной дополнительной нагрузкой для блока питания.

  • Модуль Пельтье, в случае его выхода из строя, изолирует охлаждаемый элемент от радиатора. Это приводит к быстрому нарушению теплового режима защищаемого элемента, особенно в том случае, когда он сам является источником тепла (например, при охлаждении микросхемы процессора).

  • Низкие температуры, возникающие в процессе работы холодильников Пельтье, способствуют конденсации влаги из воздуха.


2.1.4 Теплоизоляция

Теория теплообмена – это наука о процессах переноса теплоты в пространстве с неоднородным распределением температур. К особому случаю теплопроводности в криогенных системах относится перенос теплоты в различных видах тепловой изоляции. Перенос теплоты теплопроводностью является характерным для таких видов теплоизоляции, как пенопласты, газонаполненные порошковые и волокнистые материалы, вакуумированные порошковые и волокнистые материалы, многослойные изоляции. Обычная теплоизоляция имеет зернистую, волокнистую или ячеистую структуру и находится под атмосферным давлением, в отличие от вакуумной. Перечисленные изоляции расположены в порядке улучшения их свойств и увеличения цены. В дополнение к эффективности выбор изоляции для каждого конкретного случая определяется как компромисс между ценой, технологичностью, весом, прочностью и др.

Материалы, имеющие теплопроводность при t = 50…100 оС меньше 0.25 Вт/(м·К), называются теплоизоляторами. Некоторые теплоизолирующие материалы используются в их естественном состоянии (пробка, опилки, слюда), другие получают искусственно (минеральная вата, стеклянная вата). Хорошие теплоизоляторы получают при добавлении пенообразующих веществ к различным химикатам. Такие материалы называются пенопластами. Например, пенопласты К-40 и ПУ-101 имеют теплопроводность 0.046 и 0.057 Вт/(м·К) соответственно [4].

Механизм передачи теплоты через такую дисперсную среду, как теплоизоляция носит сложный характер и определяется рядом составляющих, а именно теплопроводностью твердых частиц, контактным теплообменом в местах касания частиц или слоев, конвекцией и теплопроводностью газа, излучением между частицами.

Итак, как уже было сказано получаемые в процессе работы модулей Пельтье, низкие температуры способствуют конденсации влаги из воздуха. Это приводит к необходимости тщательно изолировать охлаждаемый объект. Учитывая стоимость, легкость в обработке и теплопроводность в качестве теплоизолятора был выбран пенопласт.


2.1.5 Измерение температуры

Измерение температуры вещества основано на изменении физических свойств тела, находящегося в тепловом контакте с контролируемым веществом, в зависимости от изменения температуры.

Для измерения температуры необходимо преобразовать градусы Цельсия (Кельвина) в другую, более удобную для контроля физическую величину. Устройство, выполняющее такое преобразование, называется датчиком температуры. Основное назначение датчиков – служить воспринимающими элементами приборов контроля и автоматического регулирования.

Наибольшее применение имеют датчики, использующие такие физические явления, как тепловое расширение, изменение электрической проводимости вещества и появление контактной термо-ЭДС.

Учитывая необходимость автоматического регулирования температуры, а также компактные размеры холодильника использование ртутных и манометрических термометров не представляется возможным.

Применение термоэлектрических датчиков (термопар) для измерения температуры основано на возникновении термо-ЭДС в электрически соединенных разнородных проводниках при условии разности температур между точками их соединения. Один спай разнородных проводников называется горячим или рабочим концом, а другой холодным или свободным концом. Величина термо-ЭДС развиваемая термопарой, зависит от материала электродов и от разницы температур рабочего и свободного спаев. Поэтому при измерении температуры необходимо свободный спай поддерживать при постоянной температуре.

Следующий способ состоит в применении полупроводниковых термометров сопротивления (термисторов). Он основан на использовании изменения их электрического сопротивления в зависимости от температуры. Эта зависимость выражается экспоненциальным законом, что создает трудности при их использовании в качестве датчиков температуры.

Такой проблемы не возникает у полупроводниковых диодов. Зависимость сопротивления их переходов от температуры позволяет с успехом применять их в качестве датчиков температуры. Из-за нелинейности вольт-амперной характеристики диодов для измерения температуры используют линейную характеристику изменения напряжения на диоде в зависимости от его температуры при постоянном значении тока, протекающего в прямом направлении через переход. Постоянство тока достигается последовательным включением диода и большого активного сопротивления в цепь с источником постоянного напряжения. Ток, протекающий через диод, устанавливают порядка 1-2 мА, так как большой ток приводит к ошибке измерения температуры вследствие внутреннего разогрева диода [5].

Также можно использовать платиновый термометр сопротивления. Но он стоит дороже.

Таким образом, в нашем случае было решено производить измерение температуры при помощи полупроводникового диода.


2.1.6 Автоматическое регулирование

Работа любой технологической установки, агрегата или технологического объекта характеризуется различными физическими величинами, например температурой, давлением, расходом вещества и т. п. Для обеспечения оптимального режима их работы эти физические величины должны с определенной точностью поддерживаться на заданном уровне или изменяться по определенному закону. Эта задача может быть успешно решена с помощью использования автоматического регулирования.

Комплекс технических средств (устройств), присоединяемых к регулируемому объекту и обеспечивающих автоматическое поддержание заданного значения его регулируемой величины или автоматическое изменение ее по заданному закону, называют автоматическим регулятором.

В общем случае совокупность управляемого объекта и автоматического управляющего устройства, определенным образом взаимодействующих между собой, называют автоматической системой. Автоматическая система с замкнутой цепью воздействия, в которой управляющее (регулирующее) воздействие вырабатывается в результате сравнения истинного значения управляемой (регулируемой) величины с заданным (предписанным) ее значением, называется системой автоматического регулирования (САР).

По функциональному назначению при разработке систем автоматического регулирования наиболее широко применяются следующие элементы.

Первичные измерительные устройства (ИУ) (датчики) – элементы, измеряющие значение регулируемой величины и преобразующие их в эквивалентные значения сигнала, как правило, другой физической природы, более удобной для последующей передачи и использования.

Устройства, формирующие закон регулирования (УФЗР) (функциональные преобразователи) – это преобразователи, которые при поступлении на вход сигнала формируют на выходе изменение сигнала во времени по определенному закону.

Усилительные устройства (УУ) – это устройства, предназначенные для усиления в случае необходимости поступающих сигналов.

Сравнивающие устройства (СУ) – элементы, сравнивающие значения двух (или нескольких) сигналов. Выходной сигнал этих элементов равен разности поступающих на их вход сигналов.

Задающие устройства (ЗУ) – элементы, с помощью которых оператор устанавливает заданное значение регулируемой величины.

Регулирующие органы (РО) – устройства, непосредственно воздействующие на объект регулирования для поддержания заданного значения регулируемой величины или изменения ее по заданному закону.

Исполнительные механизмы (ИМ) – устройства, воздействующие на регулирующий орган и изменяющие его состояние в сторону ликвидации отклонения регулируемой величины от заданного значения или закона ее изменения.

Объект регулирования (ОР) – объект, являющийся составным элементом системы автоматического регулирования.

На рис.4 в общем виде представлена функциональная структурная схема САР [6].





Рис.4 Типовая структурная схема САР


2.1.7 Виды САР

Наиболее распространенными задачами, которые решают системы автоматического регулирования, являются стабилизация, выполнение заданной программы и слежение.

Системы, поддерживающие постоянное значение управляемой величины при изменяющихся возмущающих воздействиях называются стабилизирующими системами.

Системы, изменяющие управляемую величину по заранее заданной программе, называются программными системами.

Системы, управляемая величина которых воспроизводит изменяющееся задающее воздействие, называются следящими системами.

В ряде случаев сама система в процессе управления должна производить поиск такого требуемого значения, которое необходимо в данный момент времени выдерживать, чтобы режим работы управляемого объекта был оптимальным по определенному параметру. Такие системы называются экстремальными.

В тех случаях, когда закон изменения параметров объекта во времени заранее хорошо известен, можно рассчитать, как и когда нужно менять параметры управляющего устройства, чтобы качество работы автоматической системы в целом оставалось неизменно хорошим. Если же составление такой программы оказывается невозможным вследствие незнания истинного закона изменения хотя бы некоторых параметров объекта, то прибегают к построению самонастраивающейся системы.

Для решения поставленной перед нами задачи применяется стабилизирующая система регулирования.

Теперь рассмотрим классификацию автоматических систем по характеру внутренних динамических процессов. Основными признаками такого деления являются:

  • непрерывность или дискретность (прерывистость) динамических процессов во времени;

  • линейность или нелинейность уравнений, описывающих динамику процессов управления.

Применительно к поставленной задаче нас будут интересовать непрерывные линейные системы автоматического регулирования.

Системой непрерывного действия или непрерывной системой называется такая система, в каждом из звеньев которой непрерывному изменению входной величины во времени соответствует непрерывное изменение выходной величины. При этом закон изменения выходной величины во времени может быть произвольным, в зависимости от формы изменения входной величины и от вида уравнения динамики звена.

Линейной системой называется такая система, поведение всех звеньев которой вполне описывается линейными уравнениями (алгебраическими и дифференциальными или разностными). Для этого прежде всего необходимо, чтобы статические характеристики всех звеньев системы были линейными [7].


2.1.8 Устойчивость САР

Устойчивость является одним из главных требований, предъявляемых к автоматическим системам.

Основным назначением САР в нашем случае является поддержание заданного постоянного значения регулируемого параметра (температуры). При отклонении в данный момент времени регулируемого параметра от заданного значения, что может произойти или в результате появления возмущающих воздействий на систему, или при изменении заданного значения регулируемой величины, автоматический регулятор воздействует на систему таким образом, чтобы ликвидировать это отклонение. В системе возникает переходный процесс, определяемый ее динамическими свойствами.

Если после окончания переходного процесса система снова приходит в первоначальное или другое равновесное состояние, то такую систему называют устойчивой.

Если при тех же условиях в системе или возникают колебания со все возрастающей амплитудой, или происходит монотонное увеличение отклонения регулируемой величины от ее заданного равновесного значения, то систему называют неустойчивой [6].


2.1.9 Качество процессов регулирования

Устойчивость является необходимым, но не достаточным условием работоспособности САР, поскольку в устойчивой системе могут возникать очень медленно затухающие, длительные переходные процессы, и ее применение будет ограничено. Возникает необходимость количественно оценить качество процессов регулирования при устойчивой работе системы. Оно, как правило, оценивается по переходной функции системы. Основными показателями качества являются время регулирования, перерегулирование, колебательность и установившаяся ошибка. Для нас главное значение имеет установившаяся ошибка, а также время регулирования не должно быть слишком большим.

Одним из методов улучшения точности систем автоматического регулирования является повышение порядка астатизма.

Относительно задающего воздействия систему принято называть статической, если при любом постоянном задающем воздействии установившаяся ошибка регулирования не равна нулю. Если же при любом постоянном задающем воздействии установившаяся ошибка регулирования равна нулю, то такую систему называют астатической.

Так, астатическая система первого порядка без установившейся ошибки отрабатывает постоянные задающие воздействия, но имеет установившуюся ошибку при задающем воздействии, изменяющемся с постоянной скоростью. Астатическая система второго порядка без установившейся ошибки отрабатывает как постоянные задающие воздействия, так и задающие воздействия, изменяющиеся с постоянной скоростью, но имеет установившуюся ошибку при изменении задающего воздействия с постоянным ускорением [8, 9].


    1. Quantum key distribution experiment: cryptography overview

2.2.1 Abstract

This report describes tests of fiber-optic quantum key distribution (QKD) system. Phase coding, BB84 protocol, active phase tracking in the interferometer and software-based afterpulse blocking for APD single-photon detector were implemented. Although the best recorded quantum bit error rate (QBER) was 4%, the system was unstable and QBER fluctuated in the 4% to 13% range during the experiments. Replacement of defective electronic and optical parts is necessary before a better QKD demonstration can be made. A detailed description of the set-up and software is included. This report also reviews the principles of cryptography, compares classical cryptosystems and QKD systems, and explains the advantages of using phase-coding QKD set-up.


2.2.2 Introduction

Cryptography is the art of devising codes and ciphers, and cryptanalysis is the art of breaking them. Cryptology is the combination of the two.

Cryptography has a long history of military and diplomatic applications, dating back to the Babylonians. Even then people tried to find a way to exchange messages in absolute secrecy. Nowadays, cryptography is becoming increasingly important in commercial applications for electronic business. Sensitive data such as credit card numbers and personal identification numbers (PINs) are routinely transmitted in encrypted form.

The best-known application of cryptography is secure communication.


2.2.3 Classical Cryptography

Cryptography is the art of hiding information in a string of bits that are meaningless to any unauthorized person. To achieve this goal, an algorithm is used to combine a message with some additional information – known as the “key” – to produce a cryptogram. This process is called “encryption”. For a cryptosystem to be secure, it should be impossible to unlock the cryptogram without the key.

Usually the party that encrypts and transmits messages is called Alice, and the party that receives it is called Bob. There is also Eve – an unauthorized eavesdropper.

Cryptosystems come in two main classes – depending on whether the key is shared in secret or in public.

In asymmetrical systems Alice and Bob use different keys (public key for encryption and private key for decryption). They are also known as “public-key cryptosystems” and were proposed in 1976 by Whitfield Diffie and Martin Hellman [10]. Bob chooses a private key and keeps it secret. Then he computes a public key from it and openly publishes this key. Alice uses it to encrypt her message. She transmits her encrypted message to Bob, who decrypts it with the private key [11].

One such cryptosystem is RSA, which was proposed by Ronald Rivest, Adi Shamir and Leonard Adleman in 1977, and therefore has this name [12]. With RSA Bob generates his public key by multiplying two very large prime numbers.Anyone with the public key can send secret messages, but only Bob who knows the private key can read them. To decode you need the two large prime numbers Bob used to create the public key in the first place. These two numbers – which Bob keeps hidden from everyone, even Alice – constitute his private key.

If Eve intercepts Alice’s message, she can’t read it, because she doesn’t have Bob’s private key. Eve’s only hope of breaking the code is to work backwards, trying to deduce the private key from the public key. But Bob’s primes are so large that Eve needs decades to figure them out [13].

But there are drawbacks with the RSA system. There is no guarantee that the factorisation algorithm doesn’t exist. If it exists Eve could factorise numbers quickly. The second drawback is if a quantum computer is constructed in the future, the security of much of the conventional cryptography can be questioned, because recent work in quantum computation shows that quantum computers can factorise faster than classical computers [14].

Symmetrical ciphers (secret key cryptosystems) require the use of a single key for both encryption and decryption. Such a “one-time pad” system was proposed by Gilbert Vernam in 1917 and published in 1926 [15]. In this scheme Alice encrypts a message using a randomly generated key and then simply adds each bit of the message to the corresponding bit of the key. The scrambled text is then sent to Bob who decrypts the message by subtracting the same key. The problem with this system is that it is essential for Alice and Bob to possess a common secret key, which must be at least as long as the message itself. They can also only use the key for a single encryption – hence the name “one-time pad”. Furthermore, the key has to be transmitted in some trusted ways, such as a courier, or through a personal meeting between Alice and Bob [11].

The most popular standard symmetric algorithm of data encoding is DES (Data Encryption Standard). The algorithm is developed by IBM, and in 1976 it was recommended by the National Bureau of Standards (NBS), the predecessor to today's National Institute of Standards and Technology (NIST), to usage in open sectors of economy. The essence of this algorithm consists in the following (Fig.5).



Fig.5. DES coding algorithm


The data are encrypted block by block. Before encoding any form of a data representation will be transformed in a numerical form. The block of the data by a size of 64 bits comes to an input of the coding function. Then it is bisected on left (L) and right (R) parts. At the first stage the right part of the initial block is located on a place of the left part of the resulting block. The right part of the resulting block is calculated as the modulo 2 sum (operation XOR) of the left and right parts of the initial block. Then on the basis of a random sequence under the defined scheme in the obtained result the bit-by-bit replacements and swaps are fulfilled. A DES key consists of 64 binary digits ("O"s or "1"s) of which 56 bits are randomly generated and used directly by the algorithm. The other 8 bits, which are not used by the algorithm, may be used for error detection. The 8 error detecting bits are set to make the parity of each 8-bit byte of the key odd, i.e., there is an odd number of "1"s in each 8-bit byte.

There have been several criticisms directed at DES, including its inadequate 56-bit key length and an alleged trapdoor inserted by the NBS [16]. Despite these gripes and further claims of attacks, DES has withstood the test of time, until recently: in January 1999, a cobbled-together network of 100,000 PCs cracked a DES-encoded message in slightly less than 24 hours. Therefore application of its strengthened variant called Triple-DES begins, which includes triple encoding with usage of two different keys. But it is necessary to pay for it in productivity – Triple-DES requires three times more time, than usual.

Triple-DES is DES, used three times on one block of the data, using different keys, except that the second operation passes in the return order in the decryption mode. Basic disadvantage Triple-DES is that it provides rather small productivity of applications. The standard Triple-DES, which has more cycles of encoding, than for DES (in fact, it means triple application of DES algorithms to the initial text with usage of two or three different keys — with length of 112 or 168 bits), supports three times smaller speed.

One more weak place for DES and Triple-DES is the application of blocks of length 64 bits. For support of efficiency and safety it is desirable to use blocks of greater length.

Because of these disadvantages Triple-DES could not become the candidate for long-term application. In 2001 NIST has released the standard AES (Advanced Encryption Standard), known as FIPS 197 [17, 18]. It provides block encryption of length 128 bits and application of keys by a size 128, 192 and 256 bits.

Similar, that the version AES with a key length of 128 bits is realised today most frequently. Such key size is sufficient for support of a level of safety necessary for the majority of applications, and requires less time for data processing, than at usage of longer keys. These days there are no known loopholes neither in AES, nor in Triple-DES, and the level of safety is directly proportional to a key length of encoding.

According to AES, the entry objects for processes of encryption and decryption are single 128-bit blocks of the data. This block will be transformed to a matrix by a size 4х4 byte, which is named as the array of states. It will be updated on each cycle of coding or decoding. At a completing stage of the process the matrix of states again will be transformed to linear string of 128 bits. The similarly 128-bit key is perceived as a square-law matrix, which size is measured in bytes. 10 linear keys are shaped from it, what needs 10 operation cycles. The typical cycle consists of four phases.

As in the majority block coding devices, the algorithm of decryption uses the extended key in the return order. However algorithm of decryption is not identical to algorithm of encoding.

So we can see that a fundamental problem exists. In principle, any classical private channel can be monitored passively, without the sender or receiver knowing that the eavesdropping has taken place. For example, a key carried by a trusted courier might have been read en route by a surreptitious high-resolution x-ray scan or another sophisticated imaging technique without the courier’s knowledge. More generally, classical physics allows all physical properties of an object to be measured without disturbing those properties. So classical theory leaves open the possibility of passive eavesdropping [19].

And other problem exists – sometimes we want to keep a secret forever, but Eve can wait many years until we have more powerful computers, to break our code. So by using classical cryptosystems our message is not completely secret.


2.2.4.Quantum Cryptography

In contrast to classical, quantum cryptography (QC) is based on the fundamental postulate of quantum physics that “every measurement disturbs a system”. So it is possible to design a quantum channel, that carries signals based on quantum phenomena in such a way that any try to monitor the channel disturbs the signal in some detectable way. The effect arises because in quantum theory, certain pairs of physical properties are complementary in the sense that measuring one property disturbs the other. This statement known as the Heisenberg uncertainty principle, named after its discoverer, the German physicist Werner Heisenberg.

Quantum cryptography allows two physically separated parties to create a random secret key without a courier’s help. The key distribution problem can be partially solved using the idea of quantum key distribution (QKD).

Quantum cryptography began with the work by Stephen Wiesner called “Conjugate coding”. This paper was written in about 1970, but was unpublished until 1983 [20]. At that time Charles Bennett and Gilles Brassard, who were familiar with Wiesner’s ideas, produced the first and best-known QKD protocol, usually called “BB84”. It was published in 1984 [21]. So for best understanding of QKD, it will be useful to describe this protocol.

Assume that two people wish to exchange a message securely. They are connected by a quantum channel and a classical public channel. If single photons are being used to carry the information, the quantum channel is usually an optical fibre. The public channel can be any communication link, such as a phone line or an Internet connection. We can also use an optical fibre for the public link. In this case both channels differ only in the intensity of the light pulses that code the bits: one photon per bit for the quantum channel, hundreds of photons per bit for the classical public channel.

When a photon is on the move, it vibrates and the angle of vibration is called its polarization. A polarizer is simply a filter that permits certain photons to pass through it with the same oscillation as before and lets others pass through in a changed state of oscillation or blocks them.

Alice has a polarizer that can transmit the photons in any one of the four states mentioned. In fact, she can choose either rectilinear (vertical and horizontal) or diagonal (upleft/rightdown (+45o) and upright/leftdown (-45o)) polarization filters. She sends a series of photons down the quantum channel and swaps her polarization scheme between rectilinear and diagonal filters for the transmission of each single photon bit in a random manner. In doing so, the transmission can have one of two polarization states that represent a single bit, either 1 or 0, in either scheme she uses. Alice also records her choice.

Bob has two analysers. One analyser allows him to distinguish between horizontally and vertically polarized photons. The other allows him to distinguish between photons polarized at +45o and -45o. Like Alice he selects each polarizer in a random manner. He also writes down which analyser he used and what it recorded. Bob must choose to measure each photon bit using either his rectilinear or diagonal polarizer: sometimes he will choose the correct polarizer and at other times he will choose the wrong one.

Suppose Bob uses a rectilinear polarizer to measure diagonal photons (45o). If he does this, then the photons will pass through in a changed state, there is 50% chance that he will find the photon in either the +45o channel or the –45o channel. Even if he finds out later that he chose the wrong analyser, he will have no way of finding out which polarization state Alice sent.
  1   2   3   4   5   6   7

Похожие:

Профессор Черепанов А. С. Дипломный проект Тема: системы квантовой криптографии (quantum cryptography systems) Специальность: 201500 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура» iconРабочая программа по дисциплине “Информационные технологии. Оргтехника” для специальностей 201500 (Бытовая радиоэлектронная аппаратура) 201400 (Аудиовизуальная техника)
Информационные технологии. Оргтехника” для специальностей 201500 (Бытовая радиоэлектронная аппаратура)
Профессор Черепанов А. С. Дипломный проект Тема: системы квантовой криптографии (quantum cryptography systems) Специальность: 201500 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура» iconДипломная работа система квантовой передачи криптографического ключа: автоматическая компенсация набега фазы в интерферометре Направление: 654200 радиотехника специальность: 201500 бытовая радиоэлектронная аппаратура
Цель дипломной работы состояла в разработке методики автоматической компенсации случайного набега фазы в интерферометре системы квантовой...
Профессор Черепанов А. С. Дипломный проект Тема: системы квантовой криптографии (quantum cryptography systems) Специальность: 201500 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура» iconРабочая программа по дисциплине “Информационные технологии. Оргтехника” для специальностей 210303 (201500) (Бытовая радиоэлектронная аппаратура) 210312 (201400) (Аудиовизуальная техника)
Информационные технологии. Оргтехника” для специальностей 210303 (201500) (Бытовая радиоэлектронная аппаратура)
Профессор Черепанов А. С. Дипломный проект Тема: системы квантовой криптографии (quantum cryptography systems) Специальность: 201500 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура» iconРабочая программа по дисциплине «Менеджмент и маркетинг» для специальности 201500 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура»
«Менеджмент и маркетинг» для специальности 201500 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура»
Профессор Черепанов А. С. Дипломный проект Тема: системы квантовой криптографии (quantum cryptography systems) Специальность: 201500 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура» iconРабочая программа по дисциплине “Информатика” для специальностей 201500 (Бытовая радиоэлектронная аппаратура) 201400 (Аудиовизуальная техника)
Информатика” является базовым курсом для дисциплин, касающихся компьютерных технологий и вычислительной техники, в подготовке инженеров...
Профессор Черепанов А. С. Дипломный проект Тема: системы квантовой криптографии (quantum cryptography systems) Специальность: 201500 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура» iconРабочая программа учебной дисциплины
Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта (гос) высшего профессионального образования...
Профессор Черепанов А. С. Дипломный проект Тема: системы квантовой криптографии (quantum cryptography systems) Специальность: 201500 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура» iconРабочая программа по дисциплине «схемотехника аналоговых электронных устройств»
Радиофизика), 210302 (радиотехника), 210303 (Бытовая радиоэлектронная аппаратура)
Профессор Черепанов А. С. Дипломный проект Тема: системы квантовой криптографии (quantum cryptography systems) Специальность: 201500 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура» iconПрограмма государственного экзамена по специальности: 230303 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура»
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Профессор Черепанов А. С. Дипломный проект Тема: системы квантовой криптографии (quantum cryptography systems) Специальность: 201500 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура» iconРабочая программа опд. Ф. 8 Основы компьютерного проектирования и моделирования рэс для направления
Оксо 210303) – Бытовая радиоэлектронная аппаратура 200700 (оксо 210302)- радиотехника
Профессор Черепанов А. С. Дипломный проект Тема: системы квантовой криптографии (quantum cryptography systems) Специальность: 201500 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура» icon«Радиоматериалы и радиокомпоненты»
По дисциплине «Радиоматериалы и радиокомпоненты» для студентов специальности 210303 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура»
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница