Первую российскую линию квантовой межбанковской связи сделали гетерогенной

Физики из Российского квантового центра запустили первую в стране гетерогенную квантовую сеть, в которой кодирование информации идет с помощью двух разных физических принципов. Сама система развернута на обычной городской оптоволоконной сети между двумя отделениями «Газпромбанка» в Москве. Предназначение сети — квантовая криптография, создание ключа для кодирования информации, который физически невозможно перехватить. Результаты тестирования опубликованы в виде препринта на сервере arXiv.org, кратко о нем сообщает пресс-релиз РКЦ.

Для передачи сообщений часто используются методы шифрования информации. Это особенно важно, когда речь идет о банковских или дипломатических данных. Стойкость методов шифрования определяется принципиальной возможностью злоумышленника расшифровать сообщение, переданное по открытым каналам. Абсолютно стойким является метод шифрования с блокнотом — он требует наличия у автора сообщения и получателя двух идентичных блокнотов, заполненных случайным набором данных. Для кодирования сообщения к каждому его символу добавляется очередной символ из блокнота, а для расшифровки этот случайный символ надо вычесть. Затем использованные символы из блокнота вычеркиваются. Попытка расшифровать такой шифр без блокнота приведет ко всем возможным наборам символов данной длины, определить среди которых требуемый невозможно.

Главный минус этого метода шифрования — передача блокнота с шифром. Если блокнот перехвачен и скопирован злоумышленником, то вся переписка оказывается доступной третьему лицу. Квантовая криптография предлагает методику передачи блокнота, в которой незаметный перехват невозможен — попросту запрещен законами квантовой физики. Она основана на передаче фотонов в случайных состояниях (например, в случайной поляризации — 0 или 90 градусов или же 45 или 135 градусов) и со случайно выбранным способом измерения этих состояний. Любая попытка перехватить фотоны приведет к изменениям, быстро обнаруживаемым получателем информации. Подробнее об этом можно прочитать в материале «Выдергиваете и сжигаете», посвященном созданию первой российской линии межбанковской квантовой связи.

Кроме поляризации, передавать ключ можно, например, в фазе одиночных фотонов. Разные подходы к кодированию имеют свои преимущества и недостатки. Как рассказывает Алексей Федоров, соавтор работы и научный сотрудник РКЦ, крупные международные проекты в квантовой криптографии могут сочетать в себе несколько типов кодирования. Например, SECOCQ (Вена), объединяющая несколько европейских учреждений, использует шесть разных типов устройств. Подобные сети называются гетерогенными — они требуют создания узлов-повторителей и универсального программного обеспечения, работающего вне зависимости от типа кодирования. По сути, благодаря программному обеспечению к гетерогенным сетям можно легко подключать оборудование более нового поколения или другого производителя без нужды в разработке новых программных продуктов.

В новой работе российские физики реализовали такую гетерогенную сеть вне стен лабораторий — на обычных городских оптоволоконных сетях. В отличие от лабораторных условий, когда состояние каждого сантиметра оптоволокна можно контролировать, в городских сетях очень велик уровень шумов и потерь. Это сильно влияет на производительность устройств — передача данных ведется с помощью одиночных фотонов, а не интенсивных импульсов, выдерживающих частичное рассеяние. Кроме того, ученые использовали обыкновенные миниатюрные однофотонные детекторы вместо чувствительных устройств на сверхпроводниках для создания условий максимально приближенных для коммерческого использования. 

Структура сети была устроена следующим образом. Сеть состоит из трех узлов, один из которых играет роль повторителя. Длина линии между одной парой узлов — 30 километров, в ней реализуется поляризационное кодирование. Вторая пара узлов удалена на 15 километров — в ней реализуется фазовое кодирование. В узле-повторителе происходит классическая обработка информации и сопряжение между собой двух участков.

Несмотря на все потери, связанные с неидеальностью городских условий, ученым удалось успешно сгенерировать секретный ключ. Для этого требуется не только передать одиночные фотоны от отправителя к получателю, но и удостовериться в отсутствии ошибок и попыток прослушивания. Для надежной работы сети вероятность ошибки в секретном ключе должна быть ниже чем 10^-12. Скорость создания ключа составила около 20 бит в секунду на первом участке сети и около 100 бит в секунду на втором. Как отмечает Алексей Федоров, даже меньшей из этих скоростей будет достаточно для того, чтобы заменять ключ в коммерческих 256-битных шифраторах примерно один раз в 15 секунд. Обычно же эта замена делается раз в год или же ключ устанавливается на весь срок службы оборудования. В будущем скорость генерации секретного ключа будет наращиваться.

Подобные схемы, основанные на узлах-повторителях, уже используются в реальных сетях. Например, в квантовой линии Пекин-Шанхай, насчитывающей около 2 тысяч километров в длину, есть 32 таких доверенных узла. Они позволяют бороться с потерями фотонов на больших расстояниях. Также на их базе можно реализовать центральные серверы для распределения данных, если того требует схема сети.

В России работают еще две квантовые сети. Одна из них располагается в ИТМО (Санкт-Петербург), другая — в Казани. Казанская квантовая сеть состоит из четырех узлов и была запущена в полном объеме лишь 19 мая 2017 года. В мире квантовые сети также есть в Японии, Китае, Европе (Женева и Вена) и США.

Владимир Королёв