Группа ученых из Toshiba Europe успешно осуществила распределение квантовых ключей на расстоянии 254 км с использованием коммерческих оптоволоконных линий, которые соединяют три центра обработки данных во Франкфурте, Кирхфельде и Келе (Германия). Новая разработка стала важной вехой на пути практической реализации квантовых сетей будущего.
Исследование, опубликованное в Nature, демонстрирует, что квантовое распределение ключей на основе оптической когерентности можно реализовать на больших расстояниях с использованием стандартного телекоммуникационного оборудования. Правда, у громкого заявления ученых есть свои оговорки. Что означает данное достижение, и какие проблемы еще только предстоит решить, мы узнали у Романа Шахового, директора по науке российской компании QRate, разрабатывающей комплексные программно-аппаратные решения на основе квантовых коммуникаций для обеспечения информационной безопасности.
TF-QKD основан на интерференции лазерных импульсов и используется, как и любой другой протокол квантового распределения ключей, для получения общего криптографического ключа двумя сторонами, которые хотят обмениваться защищенной информацией. Главная особенность протокола «полей-близнецов» состоит в том, что он позволяет преодолеть так называемый фундаментальный предел емкости квантового канала связи. В других протоколах, использующих топологию «точка-точка», эта проблема может быть решена только при помощи квантовых повторителей.
Нынешнее исследование стало доказательством работоспособности концепции квантово-защищенной связи с использованием существующей ИТ-инфраструктуры.
Квантовое распределение ключей
Технология квантового распределения ключей (КРК, или QKD) представляет собой метод безопасного распределения секретного ключа шифрования между двумя сторонами (их обычно называют Алиса и Боб). Использование законов квантовой физики делает этот метод «невзламываемым»: при попытке «подслушать» ключ злоумышленник не может остаться незамеченным.
В протоколе КРК Алиса передает по квантовому каналу (оптоволокну) фотоны (частицы света), которые могут находиться в разных состояниях. Такие фотоны можно сравнить с надувными шариками разных цветов, например, красных и синих.
Предположим, Алиса отправляет Бобу коробку с шариками, которые светятся либо красным, либо синим. Однако цвет можно узнать, только заглянув в коробку через специальное окошко. При этом, если злоумышленник Ева попробует подсмотреть, шарики какого цвета в коробке, их цвет поменяется (например, синий станет фиолетовым). Когда Боб получит коробку, он и Алиса сравнят цвет части шариков. Если они увидят фиолетовые, то сразу поймут, что Ева вмешалась в процесс передачи данных. Если же все шарики остались красными или синими, то стороны используют секретный ключ, который, как теперь точно известно, был передан без вмешательства третьей стороны.
Проблема существующих методов состоит в том, что чем дальше пользователи отправляют сигналы, тем сильнее они затухают (тем сильнее цветные шары сдуваются).
Как работает TF-QKD?
При квантовом распределении ключей на полях-близнецах потерю передаваемого сигнала преодолевают за счет того, что пользователи Алиса и Боб отправляют свои ослабленные лазерные импульсы не друг другу, а промежуточному узлу, который находится между ними. В англоязычной литературе этот узел называют Чарли.
Особенность такого подхода состоит в том, чтобы сделать импульсы, приходящие к Чарли, неразличимыми. Отсюда и название «поля-близнецы», поясняет Роман Шаховой. Из-за этого Чарли «не понимает», кто из пользователей (Алиса или Боб) прислал ему свой фотон. Для Чарли это выглядит так, будто фотон, из которого будет сгенерирован бит секретного ключа, одновременно вылетает из лазеров Алисы и Боба и одновременно распространяется по обоим квантовым каналам, соединяющим передатчики с центральным узлом.
При этом, если вместо Чарли приходящие фотоны перехватит злоумышленник и проведет измерение (то есть попробует посмотреть на цвет шаров в коробке), это не даст ему никакой информации о секретном ключе. Выходит, что в случае TF-QKD центральный узел в протоколе на полях-близнецах можно сделать еще и недоверенным. Он все равно не позволит злоумышленникам прочитать пересылаемые данные.
В чем же состояла сложность реализации столь стройной и удобной схемы? Как поясняет Роман Шаховой, основной проблемой является сохранение высокой степени когерентности (согласованности параметров сигналов. — Наука Mail) между лазерными источниками Алисы и Боба. Именно это требование делает протокол на полях-близнецах чрезвычайно сложным для реализации на практике. В новой работе авторы соединили два метода (внеполосной фазовой стабилизации и оптической инжекции), что позволило отказаться от сложной настройки параметров излучения.
Кроме того, физики из Toshiba Europe использовали полупроводниковые детекторы одиночных фотонов вместо сверхпроводниковых детекторов. Последние позволили в лабораторных условиях продемонстрировать дальность в 1000 км. Однако сверхпроводниковые детекторы очень дороги, громоздки и не очень практичны. Авторы новой работы отдали предпочтение детекторам на лавинных фотодиодах. Они имеют невысокую эффективность (менее 20%) и относительно высокий уровень шумов. Но, несмотря на это, ученые смогли получить достаточно высокую скорость генерации секретного ключа (110 бит/с) на расстоянии 254 км, поясняет Роман Шаховой.
Что все это означает?
Можно ли сказать, что данная разработка знаменует собой начало эпохи квантового интернета? Не все так просто.
Эксперт QRate отмечает, что, во-первых, несмотря на использование коммерческой телекоммуникационной инфраструктуры, условия в эксперименте все же отличались от «полевых». Сигналы направлялись по выделенным волоконным линиям. То есть, как говорят сами ученые, квантовые сигналы распространялись в «темном» волокне, где им не мешали другие сигналы. Это не вполне честное использование «готовой инфраструктуры». В этом случае приходится арендовать отдельную волоконную линию, а не 2-3 выделенных DWDM-канала.
Еще один серьезный недостаток, который будет препятствовать массовому внедрению такого рода систем в существующую ИТ-инфраструктуру: система на основе TF-QKD все еще остается достаточно сложной, хрупкой и очень дорогой. Поэтому физики продолжают совершенствовать «квантовый интернет».
