Российские учёные сделали вклад в развитие квантовой криптографии

Квантовая криптография — почти идеальный метод шифрования секретных данных. Информацию, посылаемую по квантово-криптографическим сетям, нельзя «подслушать» или «подсмотреть», не исказив ее, поэтому любая попытка воровства сразу становится очевидной. Главный недостаток данной методики — относительно малые расстояния, на которые можно передавать сообщения. Группа ученых* - преподавателей базовой кафедры квантовой оптики и телекоммуникаций Московского института электроники и математики (МИЭМ) НИУ ВШЭ разработала и протестировала систему, которая на порядок увеличивает дальность действия квантово-криптографических систем.

Люди начали шифровать важную для себя информацию около четырех тысяч лет назад. С тех пор криптография — наука о конфиденциальности и целостности данных — проникла почти во все сферы жизни. Государственные структуры, коммерческие компании, финансовые институты — все отправляют по проводам и в эфир гигабайты секретной зашифрованной информации.

Но почти у всех классических систем криптографии есть одна «ахиллесова пята» — ключ к шифру, без которого принимающая сторона не сможет прочесть послание. Даже не сам ключ, а проблема его передачи от отправителя адресату, ведь ни один способ доставки не гарантирует полной сохранности: нарочного с депешей можно перехватить, электронные системы взломать, разговор подслушать. Здесь как раз и приходит на помощь квантовая криптография — метод защиты информации, основанный на принципах квантовой физики.

Секретный фотон

«Мы передаем информацию посредством одиночных фотонов. Один фотон - один бит информации. Определенная поляризация фотона, определяет ноль это или единица, — пояснил профессор базовой кафедры квантовой оптики и телекоммуникаций МИЭМ НИУ ВШЭ, генеральных директор компании „Сконтел“ Константин Смирнов. — Секретность информации, передаваемой с помощью фотонов, защищена не просто математикой, а фундаментальными физическими законами».

Один из них — «теорема о запрете клонирования», согласно которой невозможно создать идеальную копию неизвестного квантового состояния. А принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что нельзя измерить один параметр фотона, не исказив другой. Взяв за основу эти явления, можно создать систему связи, которая всегда обнаружит «подслушивание».

"Если внешний наблюдатель попытается зарегистрировать состояние одиночного фотона или «подслушать передаваемый ключ», исходный сигнал будет разрушен, — говорит Смирнов. — Невозможность клонирования квантового состояния фотона неизбежно приводит к обнаружению попытки перехвата передаваемой информации при её анализе отправителем и получателем". То есть злоумышленник, пытающийся исследовать передаваемые данные, не сможет произвести измерение фотонов, не исказив текст сообщения. И, главное, попытка вмешательства, сразу же будет обнаружена.

Возможность защищать информацию с помощью квантовых объектов впервые предложил в 1969 году аспирант Колумбийского университета Стивен Визнер. Но его идея «квантовых денег» была встречена в штыки как антинаучная. Да и уровень технологий тех лет не позволял всерьез рассуждать о квантовой криптографии. Но спустя десять лет исследователь IBM Чарльз Беннет и профессор Монреальского университета Жиль Брассар предложили передавать секретный ключ с помощью квантовых объектов. Еще через несколько лет они обосновали возможность создания защищенного канала с помощью квантовых состояний. В 1989 году Беннет с Брассаром создали первую квантовую криптографическую систему, способную передать информацию на расстояние менее полуметра.

Технологическое превосходство

Сегодня для передачи информации в квантово-криптографических системах используется оптоволокно. Расстояние, на которое могут быть посланы данные, и качество передачи зависят от типа и свойств используемых однофотонных детекторов.

Два основных типа этих устройств — фотоумножители (PMT, от photo multiplaye tube) и лавинные фотодиоды (APD, от average photodiodes) позволяют передавать сообщения на несколько десятков километров. Это, по словам Константина Смирнова, серьезно ограничивает возможности для масштабного практического применения квантово-криптографических систем связи. Ему и его коллегам удалось решить проблему малой дальности квантово-криптографических систем.

В 2001 году российскими учеными (Константин Смирнов и Григорий Гольцман) был открыт эффект детектирования одиночных фотонов ближнего инфракрасного диапазона сверхпроводниковыми наноструктурами. «Мы поняли, что с открытием этого эффекта можно реализовать новый коммерческий продукт, — рассказал Смирнов. - Под этот проект была создана компания „Сконтел“. Наше „ноу-хау“ в квантовой криптографии — это использование нового типа однофотонных детекторов — сверхпроводниковый однофотонный детектор Superconducting Single Photon Detector (SSPD), который на порядок превосходит прежние — полупроводниковые лавинные диоды и фотоумножители».

Первые измерения параметров SSPD показали, что эти приборы могут иметь характеристики, значительно превосходящие существующие традиционные аналоги. В частности, использование SSPD позволяет заметно увеличить расстояние оптоволоконной линии, на которое может быть передан квантовый ключ.

Женевские испытатели московской «звезды»

Сотрудники Женевского университета под руководством Николаса Гисина (его научна группа в 1989 году создала оптоволоконную систему квантовой криптографии, способную передать квантовый ключ на расстояние в 23 километра) совместно с компанией ID протестировали российский однофотонный детектор. В представленных результатах говорилось о передаче квантового ключа на расстояние в 150 км со скоростью 2,5 бит в секунду, а в лабораторных условиях при использовании оптоволокна с предельно низкими потерями удалось передать сообщение на 250 км со скоростью 15 бит в секунду.

Позднее, в 2013 году, в лаборатории «Сконтел» при использовании усовершенствованных сверхпроводниковых однофотонных детекторов, максимальное расстояние передачи квантового ключа было увеличено до 300 километров. «Если учесть реализацию квантовой криптографии по „звезде“, то мы покрываем диаметр около 600 километров, — говорит Смирнов. — Это уже значительное расстояние, которое переводит квантовую криптографию в практическую плоскость. Москву и Подмосковье точно можно покрыть этой сеткой квантово-криптографической связи».

По словам Смирнова, в настоящее время созданием квантово-криптографических систем связи с использованием SSPD занимаются множество ведущих мировых научно-исследовательских институтов, университетов, подразделений коммерческих компаний. В скором времени «полевую демонстрацию» пройдет и российская система. Успешный опыт будет означать возможность практической реализации систем квантовой криптографии в пределах любого большого города, включая пригороды.

*Профессора базовой кафедры квантовой оптики и телекоммуникаций МИЭМ НИУ ВШЭ Константин Смирнов, Галина Чулкова и Григорий Гольцман, а также доценты этой кафедры Сергей Рябчун и Александр Корнеев.

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.