В настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию квантовых компьютеров, способных решать вычислительно трудоемкие задачи теории чисел. В перспективе окажется не защищенным основной алгоритм формирования общего ключа алгоритм Диффи–Хелманна. Квантовое распределение ключевой информации является альтернативным способом распределения ключей.
В настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию квантовых компьютеров, способных решать вычислительно трудоемкие задачи теории чисел. В перспективе окажется не защищенным основной алгоритм формирования общего ключа алгоритм Диффи–Хелманна. Квантовое распределение ключевой информации является альтернативным способом распределения ключей.
В настоящее время для защиты информации, передаваемой по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС), используют методы квантовой криптографии. Заключающей в том, если передача информации в ВОЛС осуществляется слабыми оптическими импульсами, содержащими десятки или сотни фотонов то любая попытка перехвата информации, будет обнаружена. Это связано с тем, что согласно квантовомеханической теории нельзя произвести измерения в системе, не изменив ее состояния. Тогда любая попытка перехвата информации приведет к появлению помех и обнаружению перехвата.
В последние годы большой интерес к одноквантовым системам регистрации вызван интенсивным развитием такого направления защиты информации, как квантовая криптография. Наиболее часто методы квантовой криптографии применяют для защиты оптических каналов связи. В этом случае передача секретного ключа осуществляется состояниями отдельных фотонов. Для приема секретного ключа используют системы одноквантовой регистрации. К таким системам предъявляют достаточно высокие требования по быстродействию, уровню собственных шумов и темновых импульсов, вероятности ошибочной регистрации фотона. Необходимо отметить, что в настоящее время отсутствуют достаточно полно разработанные модели фотоэлектрических явлений в лавинных фотоприемниках (ЛФП), работающих в режиме одноквантовой регистрации. Физические процессы, вносящие вклад в формирование характеристик ЛФП в режиме одноквантовой регистрации, недостаточно изучены. Также не разработаны способы и устройства, позволяющие передавать и принимать информацию оптическими сигналами малой интенсивности, содержащими в среднем от одного до десяти фотонов в импульсе. Поэтому в предлагаемой диссертационной работе выполнены исследования фотоэлектрических процессов в кремниевых лавинных фотоприемниках, работающих в режиме одноквантовой регистрации, а также разработаны способы и устройства приема и передачи оптической информации отдельными фотонами, обеспечивающие конфиденциальность информации, передаваемой по волоконно-оптическим линиям связи.
В статье рассматривается возможность повышения конфиденциальности криптографического ключа, сформированного в условиях утечки информации о значениях некоторой части ключа. Такая ситуация может сложиться при формировании общего криптографического ключа симметричной криптосистемы при использовании квантового канала, прослушиваемого криптоаналитиком, или другими методами, не использующими односторонние функции. Предлагается способ преобразования со случайными секретными параметрами сформированной ключевой последовательности, с помощью которого можно увеличить энтропию последней. Суть разработанной процедуры заключается в том, что абоненты А и В секретно от криптоаналитика, но согласовано между собой, выбирают некоторые биты в сформированной ключевой последовательности, (в дальнейшем называемые «помеченными»), а затем производят заранее объявленное преобразование этой\nпоследовательности, используя при этом информацию о помеченных битах. Так как количество и порядковые номера помеченных битов неизвестны криптоаналитику, то и расположение известных ему ранее битов, изменяется случайным образом и становиться неопределенным. Принципиальным моментом этого способа является получение помеченных битов, номера которых известны только А и В, не используя для этого защищенный канал связи. Описывается один из возможных методов получения помеченных битов, основанный на случайном и независимым инвертировании сформированной ключевой последовательности абонентами А и В с последующим анализом четностей пар битов. Оценивается эффективность метода.
Одной из наиболее важных задач, решаемых при передаче двоичных данных по волоконно-оптическим каналам связи, является обеспечение скрытности и конфиденциальности передаваемой информации [1]. Для решения этой задачи применяют, как правило, комплекс мер, включая организацию квантово-криптографических каналов связи.
Актуальность исследования обусловлена предстоящим широким внедрением квантовых технологий в существующую информационно-телекоммуникационную инфраструктуру. Эффективное внедрение невозможно без предварительного анализа и обоснования достаточности и безопасности систем квантового распределения ключей. Это в свою очередь предполагает исследование и формализованное сравнение аппаратных архитектур, положенных в основу этих систем. Эффективным инструментом для решения последней задачи является компьютерное моделирование. Цель состоит в исследовании и систематизации типовых аппаратных архитектур систем квантового распределения ключей, их моделировании и верификации созданных моделей. Объектом являются практические архитектуры систем квантового распределения ключей. Методы: математическое описание оптических систем на основе формализма Джонса, имитационное моделирование в среде Simulink Matlab. Результаты. Реализована имитационная модель типовой системы квантового распределения ключей, использующей архитектуру Plug-n-Play. Корректность модели показана путём демонстрации толерантности к искажениям поляризации при передаче в волоконно-оптическом канале связи. Созданные модели оптических компонентов в Simulink могут использоваться для построения моделей систем других архитектур.
Необходимость обработки информации на квантовом уровне диктуется перспективностью применения квантовых каналов связи, обладающих существенно более высокой пропускной способностью и защищенностью, которые основаны на принципиально иных свойствах квантовых систем. Принципиальное преимущество квантовых каналов связи по сравнению с классическими заключается в их качественно более высоком уровне защиты: совершенный квантовый канал имеет, в принципе, абсолютную защиту, поскольку любая попытка вмешательства в систему сразу же обнаруживается (квантовый канал связи можно разрушить, но невозможно вскрыть). В то же время на пути создания эффективных систем обработки квантовой информации стоит ряд трудных проблем, связанных с декогеренцией квантовых состояний и синхронизацией квантовых операций. Основным элементом квантового канала связи является квантовый вычислительный кластер.