ОБЗОР СРЕДСТВ И МЕТОДОВ КВАНТОВОЙ КРИПТОГРАФИИ: ОСНОВНЫЕ ПРОТОКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ

Для передачи ключа Алиса случайным образом выбирает значение последовательности ключа. Боб также случайным образом (наугад) выбирает анализатор для детектирования базиса. После передачи ключа Алиса и Боб просеивают сырой ключ и корректируют его. Коррекция ключа осуществляется стандартными методами теории информации, такими как перемешивание и проверка на четность. Эффективная методика проверки полученного ключа до сих пор не разработана и этот вопрос является актуальной темой исследований в квантовой криптографии.

Для примера, пусть Алиса хочет передать Бобу двобитовий ключ. Для примера возьмем следующую последовательность:

1 бит - горизонтально поляризованный фотон - ортогональный базис логического 1

2 бит - -45 ° поляризованный фотон - диагональный базис - логический 0

Боб наугад выбирает базис для детектирования первого фотона, например диагональный и включает соответствующие приборы. Мы знаем, что Боб не угадал базис и на своих детекторах он зарегистрирует определенный отсчет. Далее, для второго бита Боб выбирает правильный базис детектирования. После передачи ключа, Алиса сообщает Бобу по публичному открытому каналу, что правильный базис для детектирования первого фотона - ортогональный, а для второго - диагональный. Боб понимает, что продетектировал первый фотон неверно. Алиса и Боб отбрасывают первый бит ключа, так как Боб ошибся. Далее, они проводят проверки на четность и осуществляют процедуру коррекции ошибок.

Протокол В92

Протокол В92 отличается от своего предшественника тем, что Алиса оперирует только двумя состояниями и соответствие логических 0 и 1 не отличается от ВВ84. Пусть Алиса имеет только два возможных состояния поляризации из разных базисов. Алиса имеет состояние с горизонтальной поляризацией и состояние + 45 °. Если Боб продетектировал состояние + 45 °, то он инвертирует свое измерения. То есть, если бы он должен был получить логическую 1, он записывает логический 0, так как было бы в случае детектирования состояния -45 °. С ортогональным базисом ситуация повторяется. В данном протоколе отсутствует операция согласования базисов, так как по сути она не нужна. Алиса и Боб по открытому каналу обменивается номерами бит, которые были информативными. Таким образом длина ключа уменьшается.

Протокол Экерта Е91

Протокол Экерта один из самых интересных протоколов в квантовой криптографии основан на перепутанных состояниях или ЭПР парах. Перепутаное состояние можно получить разделив луч на светоделительном зеркале, но в таком случае степень спутанности лучей будет не велика.

Протокол работает следующим образом. Третий участник сессии (не Ева) генерирует пару спутанных фотонов и модулирует их (изменяет поляризацию, фазу, амплитуду и т.д.). Так как это пара спутанных фотонов, то в случае если один из фотонов изменится, то другой сразу же меняет свои характеристики тоже. Это означает, что Алиса и Боб должны получить идентичные ключи. Если Ева захочет перехватить ключ, то это действие необратимо изменит все параметры фотонов и это выльется в значительное количество ошибок в ключах Алисы и Боба.

Данная технология может применяться как для передачи информации в одноранговых сетях между Алисой и Бобом, так и в дворангових сетях типа пользователи и сервер.

Схемотехнические реализации квантовой криптографии.

На сегодня существует много разновидностей квантовых криптографических систем. К основным типам систем относятся системы с поляризационным, фазовым кодированием и система Plug & Play (с английского языка подключай и работай). Если обратиться к истории, то системы с поляризационным кодированием является основным предком всех других аппаратных комплексов квантовой криптографии.

В основе действия системы с поляризационным кодированием лежит понятие поляризации. Поляризация - это одна из важнейших собственных характеристик световой волны. Не следует забывать, что фотон также подчиняется явлению корпускулярно-волнового дуализма. То есть фотон в некоторых явлениях таких как фотоэффект ведет себя как частица, но при этом сохраняет волновые свойства такие как интерференция, дифракция, и тому подобное. Поляризованная волна - это поперечная волна, в которой колебания частиц происходит в одной плоскости.

Структурная схема поляризационного кодирования представлена на рис. 1

Рис. 1. Структурная схема системы квантовой криптографии с поляризационным кодированием

Однофотонные источник Алисы может иметь различные конфигурации. В системах квантовой криптографии используют два основных типа однофотонных источников: первоначально излученные одиночные фотоны и ослаблены световые пучки. К первой группе относятся лазеры на кантовых точках, одиночные атомные и молекулярные системы. Ко второй группе относятся различного рода ослабители лазерного излучения, поглощающие фильтры, аттенюатор и тому подобное. [4]. Блок модуляции поляризации может состоять из 1 до 4 поляризационных призм Глена, Волостона или их аналогов.

Нынешний рынок  квантовой оптики предлагает широкий выбор устройств для детектирования одиночных фотонов. Боб может использовать популярные лавинные фотодиоды, ФЭУ и другие механизмы детектирования. Интересным с точки зрения схемотехники, является метод использования устройства для подсчета одиночных фотонов с зарядовой связью. [4]. Интенсивность света на выходе детектора определяется величиной заряда на емкости подключенной к выходу детектора

Система с фазовым кодированием.

Основой данной схемы является интерферометр Маха-Цендера, но можно применять и другие типы интерферометров для получения устойчивой интерференционной картинки. Структурная схема системы показана на рисунке 2:

Рис. 2. Структурная схема системы квантовой криптографии с фазовым кодированием

Система работает по классической схеме интерферометра Маха-Цендера. Для шифрования ключа Алиса задает сдвиг фазы на своем фазовом модуляторе. Боб произвольным образом выбирает сдвиг фазы на своем фазовом модуляторе. В случае, если разность фаз между сигналами Алисы и Боба будет 0 ° или π, то детекторы Боба сработают и Боб точно держит первоначальный бит ключа, так как в данном случае имеет место конструктивная интерференция, фазы сигналов усилят друг друга. В противном случае, Боб не получит никакой полезной информации, так как имеет место деструктивная интерференция и сигналы колеблются в противофазе, соответственно усиления не будет. Все возможные результаты сведены в таблицу [5]:

Сравнительная характеристика существующих прототипов систем квантовой криптографии

Система квантовой криптографии с поляризационным кодированием.

Основные недостатки:

1. Неустойчивость поляризации одиночного фотона. Основное количество ошибок в сыром ключе наблюдается из-за потери поляризации фотоном после прохождения по информационному каналу.

2. Через неустойчивость поляризации системы данного типа ограничены длиной линии передачи.

3. Процесс исправления ошибок детектирования поляризации делает систему громоздкой и уменьшает ее скорость.

4. Низкая скорость существующей элементной базы лавинных фотодиодов и их низкая квантовая эффективность.

5. Сложные методики контроля поляризации, которые обычно не оправдывают себя, что приводит к увеличению ошибок в ключе.

Система квантовой криптографии с фазовым кодированием.

1. Системе данного типа необходимы точные температурные условия и точная калибровка фазы в интерферометрах.

2. Дрейф фазы в разбалансированных интерферометрах.

3. Проблема сохранения когерентности колебаний в интерферометрах.

Все системы квантовой криптографии имеют один и тот же недостаток: несовершенство компонентной базы для построения надежных и устойчивых систем. Проблема заключается в несовершенстве и большом соотношению уровня сигнал / шум в лавинных фотодиодах, которые обычно используются для детектирования фотонов. Также, проблемным является направление равно фотонных источников для работы с подобными информационными комплексами.

Выводы

В данной работе было дано краткое описание существующих протоколов и схемо-технических решений в области квантовой криптографии. Была проведена сравнительный анализ  моделей квантовых систем и подходов и выявлены недостатки и преимущества каждого подхода. Осуществлено теоретическое исследование методологии и различных стратегий защиты информации в квантово-криптографических сетях.