Многие слышали о квантовом распределении ключей шифрования ― его еще иногда называют квантовым шифрованием. Сегодня это один из самых надежных способов кодирования информации, потенциальными пользователями которого являются крупнейшие банки, военные, правительственные организации. В качестве переносчика информации в системе КРК используется квантовое излучение, сигнал которого очень сложно перехватить злоумышленникам.

«В квантовом распределении ключей, как правило, используется ослабленный лазерный свет со средним числом фотонов меньше единицы, ― рассказывает научный сотрудник факультета фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО Эдуард Самсонов. ― У такого света есть фундаментальные особенности, так называемые квантовые эффекты, которые не дают возможности третьей стороне вклиниться в канал и считать информацию, оставшись при этом незамеченной».

Спрос на квантовое распределение ключа шифрования растет постоянно. Однако на пути его массового внедрения стоит проблема ― для таких систем передачи данных нужно очень сложное и дорогое оборудование. Кроме того, для создания таких систем с трудом можно использовать уже существующую инфраструктуру оптоволоконной связи. Недавно сотрудники Университета ИТМО опубликовали работу, в которой предложили путь решения этой проблемы.

«Наша работа способствует более активному внедрению систем квантового распределения ключа, ― рассказывает Эдуард Самсонов. ― В существующих сетях оптической связи используют определенную инфраструктуру, хотелось бы внедрить в нее с наименьшими усилиями систему квантового распределения ключа. В частности, уже некоторое время есть идея использовать детекторы когерентного приема, которые активно используются в существующих линиях оптической связи. Это позволит заменить громоздкие, дорогостоящие и сложные в обслуживании детекторы одиночных фотонов. Вместо этого можно будет установить небольшую коробочку, которая будет также извлекать информацию из квантового сигнала. И это все уменьшает стоимость и упрощает использование систем КРК. Плюс ко всему, маленькие габариты позволяют внедрить эту систему в какие-то миниатюрные роботизированные устройства, что может способствовать активному распространению данной технологии в концепции интернета вещей».

Ученые Университета ИТМО разработали систему КРК с когерентным методом приема на основе протокола квантового распределения ключа на боковых частотах, над которым исследователи из Петербурга работают уже на протяжении долгого времени.

Как это работает?

«Особенность нашей системы в том, что для формирования состояний используется электрооптический фазовый модулятор, ― объясняет Эдуард Самсонов. ― То есть, если у вас излучение идет на определенной оптической частоте, в результате фазовой модуляции формируются боковые частоты, которые несут информацию о фазе передаваемого сигнала. Если индекс модуляции слабый, то и световое излучение на таких боковых частотах будет слабым».

Главным достижением ученых стало то, что они придумали уникальный метод когерентного приема именно для такой системы. В его основе использование несущей оптической частоты, которая сама по себе не несет информации, но которую можно использовать в качестве опорной для регистрации фазы слабого сигнала с боковых частот.

«У нас была несущая частота, которая распространяется в канале вместе с боковыми частотами и вырезается в блоке получателя, ― говорит исследователь. ― В предложенной схеме мы используем эту несущую частоту в качестве опорной для реализации когерентного приема. Для этого мы увеличиваем индекс модуляции, излучение с центральной частоты перераспределяется и интерферирует отдельно с каждой модой. Таким образом, при конструктивной интерференции большая часть излучения окажется на боковых частотах, и наоборот, при деструктивной большая часть излучение окажется на центральной частоте, что может быть зарегистрировано балансным детектором».

Фактически ученые предлагают поставить еще один модулятор, подобный тому, что создал изначальный сигнал на боковых частотах, но с увеличенным индексом модуляции, и снова провести через него сигнал. Таким образом вновь создаются дополнительные боковые частоты, которые взаимодействуют с теми, что пришли от передатчика.

При этом в такой системе сохраняется надежность и защищенность квантового распределения ключей шифрования. Как и в используемых сейчас системах, точно измерить фазу сигнала невозможно. Всегда будет ошибка, причем, если злоумышленник попытается копировать сигнал и переслать, то ошибок станет больше.

«Вследствие принципа неопределенности всегда будет существовать ошибка в определении фазы. Мы можем ее оценить: если эта ошибка больше заданного предела, то в канале есть нарушитель», ― пояснил Самсонов.

Исследователи построили математическую модель предложенной схемы, которая хорошо согласуется с экспериментальными данными, и предложили анализ устойчивости разработанного протокола к коллективным атакам.

Статья: E. Samsonov, R. Goncharov, A. Gaidash, A. Kozubov, V. Egorov & A. Gleim. Subcarrier wave continuous variable quantum key distribution with discrete modulation: mathematical model and finite-key analysis. Scientific Reports, 2020/10.1038/s41598-020-66948-0