06 августа 2020 21:46

Неуязвимая физика

Квантовые коммуникации базируются на принципах квантовой физики, что делает их неуязвимыми для взлома, и уже сейчас позволяют передавать данные со скоростями, достаточными для передачи видеосвязи, телефонных разговоров, банковских транзакций или команд для удалённо-управляемых промышленных или транспортных систем. Технология может стать широко распространённой уже в ближайшие годы.
Как объяснил «Гудку» начальник отдела транспортной безопасности НИИАСа Александр Циплаков, сейчас передача данных по оптоволоконным сетям производится с помощью световых импульсов, содержащих миллиарды фотонов. Один импульс – это либо ноль, либо единица, один бит информации. Эти импульсы достаточно мощные для того, чтобы можно было подключиться к линии, перехватить световые импульсы и прочитать их, отправив потом обратно в оптоволоконный кабель. Получатель ничего не заметит.

В квантовых сетях, по словам Александра Циплакова, используются импульсы в миллионы раз слабее – нули и единицы кодируются с помощью единичных фотонов, производимых импульсами ослабленного лазера. При этом природа фотонов такова, что невозможно одновременно измерить всю информацию фотона (поляризацию в произвольном базисе). При измерении одного из параметров информация о втором искажается. В итоге получатель сигнала узнаёт, что к сети подключился кто-то третий. Скопировать фотон, то есть полностью воспроизвести его состояние, тоже невозможно. Это свойство фотонов делает квантовые сети практически полностью защищёнными от взлома. При этом передача осуществляется по существующим оптоволоконным кабелям и требует использования лишь одной жилы обычного многожильного оптоволоконного кабеля, экранированной от внешнего воздействия.

Однако, как рассказал «Гудку» генеральный директор российского квантового центра Руслан Юнусов, защита, которую предоставляют квантовой связи свойства носителей сигнала – фотонов, позволяет обновлять ключи в классических каналах каждые несколько секунд.

По словам Руслана Юнусова, самый распространённый алгоритм генерации секретного ключа работает следующим образом: вначале отправитель (А) генерирует фотоны со случайной поляризацией, выбранной, например, из 0°, 45°, 90° и 135°. Получатель (Б) принимает эти фотоны, затем для каждого выбирает случайным образом один из двух способов измерения поляризации – диагональный или вертикально-горизонтальный. Затем Б сообщает А о том, какой способ он выбрал для каждого фотона, не раскрывая при этом самих результатов измерения. После этого А сообщает, какой из способов измерения правильный. Поскольку способов измерения поляризации только два – ошибочными становятся 50% случаев измерений. На выходе получается последовательность битов: например, фотоны с горизонтальной или 45-градусной поляризацией принимаются за ноль, а с вертикальной или 135-градусной поляризацией – за единицу. При этом в половине случаев результаты у А и Б совпадут. Они и будут ключом. Этот этап работы квантово-криптографической системы называется первичной квантовой передачей. Далее сигнал необходимо очистить от шумов, используя классические алгоритмы.

Как объясняет Руслан Юнусов, если к каналу передачи данных подключается злоумышленник и начинает считывать передаваемые фотоны, он должен, точно так же как и Б, случайным образом выбрать способ измерения поляризации, а потом скопировать полученные фотоны и передать их дальше от А к Б. Это называется «атакой посредника». В результате злоумышленник точно так же, как и Б, угадает способ измерения поляризации лишь в половине случаев. То есть его клоны будут правильными с вероятностью 50%. По словам Руслана Юнусова, присутствие злоумышленника на линии между А и Б приведёт к появлению в системе ошибок с вероятностью 25%. Ошибки возникают также и вследствие влияния других факторов – теплового излучения или электромагнитного, поэтому их уровень в результате будет выше 25%.

Руслан Юнусов объясняет, что при более сложных типах атак процент ошибок в результате действий злоумышленника может опускаться до 11%. Поэтому системы квантовой связи считаются защищёнными, пока процент ошибок не превышает этого значения. В случае если процент ошибок превышает этот порог, то ключ заменяется новым и процесс повторяется снова. Современные системы квантовой связи позволяют делать это с высокой скоростью – раз в несколько секунд.

Существует и второй способ квантовой криптографии, применимый для случаев, когда необходима полная защита коммуникаций. Этот способ известен давно и называется «одноразовый блокнот». В таком случае для шифрования сообщения используется одноразовый ключ, длина которого равна длине сообщения.

В обычных системах связи криптографический ключ доставляется курьером на физическом носителе и изменяется раз в несколько месяцев, что оставляет массу возможностей для взлома. Злоумышленник может незаметно перехватывать передаваемую информацию и взломать ключ, когда накопит информацию в достаточном количестве для проведения вычислений. Кроме того, подкупив посланника, злоумышленник может просто скопировать ключ и незаметно читать все данные, которые кодируются с его помощью. В случае применения квантовой криптографии этот вариант невозможен в принципе.

В то же время у квантовых коммуникаций есть в настоящее время ряд существенных ограничений. Во-первых, поскольку современные лазеры не могут передавать точно по одному фотону за импульс, приходится снижать частоту импульсов таким образом, чтобы за один импульс происходила передача 0,1 фотона. В этом случае удаётся избежать передачи фотонных пар, которые можно было бы разделить и таким образом прочитать сообщение. Это замедляет скорость передачи данных. Самая большая скорость передачи, которой удалось достичь в настоящее время, – несколько мегабит в секунду. Этого достаточно для передачи видеосвязи. Такой скорости удалось добиться японским исследователям. Российским исследователям удалось пока добиться скоростей порядка сотни килобит в секунду. Этой скорости, по словам Александра Циплакова, достаточно для кодирования, например, телефонных разговоров или передачи сообщений о банковских транзакциях. Скорость передачи данных с помощью существующих оптических технологий сейчас намного превышает эти показатели, достигая 1 петабита (1 квадриллион бит) в секунду.

Ещё одним фактором является затухание сигнала в зависимости от расстояния. Сейчас для надёжной передачи фотонов по оптоволоконным кабелям на большие расстояния необходимо использование так называемых доверенных узлов – комплексов из декодера и передатчика сигнала. Такие доверенные узлы устанавливаются на расстоянии около 100 км друг от друга, что существенно удорожает технологию.

Однако исследователи работают над созданием квантового репитера, который позволит усиливать сигнал без его декодирования и повторного кодирования. По словам Руслана Юнусова, все имеющиеся технические проблемы могут быть решены в течение ближайших 10–20 лет и квантовые коммуникации будут распространены повсеместно.


Оставить комментарий
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
          1 2
3 4 5 6 7 8 9
10 11 12 13 14 15 16
17 18 19 20 21 22 23
24 25 26 27 28 29 30