Современные информационные технологии/4.Информационная безопасность

Магистрант Кузьмин Д. А., к.т.н. Вихман В. В.

Новосибирский государственный технический университет, Россия

Квантовая криптография при помощи простого оборудования

В статье идет речь об новом изобретении ученных, которое позволит вывести защиту информации на новый уровень.

Исследователи в Японии придумали способ решить две большие проблемы квантовой криптографии. Новый протокол предназначен для работы с вне-стеллажным оборудованием и использует меньшую полосу пропускания, чем существующие методы. Это просто математическое предложение, но оно может помочь сделать квантовое распределение ключей коммерчески более жизнеспособным.

С зашифрованным сообщением отправитель и получатель делятся ключом, который расшифровывает его содержимое. Вся проблема в обеспечении безопасности ключа. С квантовой криптографией, ключ создается для отправителя и получателя, передавая фотоны над волоконно-оптическими линиями. Полярность фотонов позволяет узнать колеблется он вертикально или под углом, это может быть определено с помощью приемника. Полярность фотонов преобразуется в биты, которые составляют ключ для расшифровки сообщения.

С квантового распределения ключей, безопасность передачи обеспечивается принципом неопределенности Гейзенберга. Если злоумышленник пытается перехватить ключ, он будет изменять состояние парных фотонов-событии, которое может быть обнаружено отправителем ключа.

В исследовании, опубликованном в Nature на прошлой неделе, японская команда описывает способ защиты связи, которая не опирается на принцип неопределенности и не нуждается в регулярном измерении, чтобы увидеть, что ключ не был подделан.

С помощью этой техники, фотоны направляются по оптическому волокну, используя обычные лазеры, а не специализированное оборудование, как правило, необходимое для создания квантовых ключей. Лазер излучает поезд фотонов и устройство под названием фазовый модулятор придает фазу на них.

Приемник разделяет сигнал на два отдельных сигнала со случайными задержками между ними. Затем эти два сигнала, которые создают осциллирующие волны, накладываются и появляются на конце получателя. Они могут быть не в фазе и будут отброшены, либо соединены в одну большую волну.

Разность фаз между импульсами может выступать в качестве битов, которые могут составлять ключ для дешифрования сообщения. Когда получатель, который, по соглашению, называется Bob - обнаруживает фотон, он узнает, имеют ли наложенные импульсы одинаковую или разную фазу. Тогда он говорит отправителю, под названием Alice соответствующие номера импульса. Так как отправитель записывает все импульсы, она может определить значение бита, основываясь на том, что ей говорит Боб.

Один из ключей защищающих соединение отправляет большое количество оптических импульсов, но они очень слабы, так что они, в общей сложности, составляют лишь несколько фотонов. Следовательно, даже если Ева ждет от Боба цифры в течение двух импульсов, а затем измеряет сигнал Алисы, шансы Евы обнаружить любой фотон в двух соответствующих импульсах очень низки.

Еще одним ключевым фактом является то, что Боб создает задержку в случайном порядке. Ева может сразу измерить сигнал Алисы и узнать фазы нескольких импульсов. Затем Ева пытается манипулировать объявлениями Боба, попадая на те импульсы, для которых она узнала фазы. Случайная задержка предотвращает такую манипуляцию.

При использовании этого метода, протокол не требует регулярных измерений уровня передач, чтобы обнаружить прослушки как существующие квантовые ключевые распределители. Это значительно уменьшает количество накладных расходов, что очень важно в ситуациях, когда каналы связи шумные, например, когда мы пытаемся связаться со спутником во время метели.

Работа находится на теоретической стадии, но эксперимент можно провести без специализированного оборудования. "Вы должны просто использовать обычный лазер и фазовый модулятор, который уже используется в цифровых оптических соединениях. Тем не менее до сих пор не известно, будет ли производительность системы достаточно хорошей.

Есть уже коммерческие квантовые ключевые распределительные системы, хотя их использование довольно ограничено. Необходимы выделенные темно волоконные линии и расстояние для отправки защищенных данных пока ограничено, примерно 100 километров. Но по-прежнему существует значительное количество работ в расширении спектра квантовой криптографии и использовании общих волоконно-оптических линий.