Специалисты Кембриджской исследовательской лаборатории компании Toshiba продемонстрировали возможность передачи битов квантового ключа на 50 км со скоростью, превышающей 1 Мбит/с.

Явлются ли современные схемы шифрования информации для on-line счетов или военных секретных систем действительно безопасными? В последние годы, физики и инженеры развили методы, которые передают невзламывающиеся кодовые сообщения с использованием отдельных частиц света – фотонов. Группа ученых в рамках квантовой криптографии сделала большой шаг вперед, продемонстрировав систему, которая способна достаточно быстро зашифровывать и передавать видеоданные.

С точки зрения практического применения, это очень важно", – говорит Хои-квонг Ло (Hoi-Kwong Lо) – физик из Университета Торонто (Канада).

Как известно, цифровое сообщение состоит из длинной цепочки нулей и единиц, и оно может быть зашифровано многими способами. Например, каждый бит информации может сопоставлятся с единичкой из потока случайных нулей и единиц названных ключом.

Добавление ключа один раз скрывает сообщение; добавляя этот ключ второй раз восстанавливает его. Пока два человека, владеющие тайной, скажем, «Алиса» и «Боб», повторно не пользуются ключом, этот метод «одноразовой клавиатуры» является невзламываемым. Однако, Алиса должна так или иначе передать ключ Бобу без его перехвата.

Сообщения в Интернете кодируются иначе, используя так называемое публичное ключевое шифрование. Сообщение, как правило, шифруется с использованием математической функции, которой является весьма удобным пользоваться в одном направлении, но очень трудно в обратном направлении. Однако, нет никакой гарантии, что, учитывая достаточную вычислительную мощь, хакер не сможет найти способ взломать такую схему.

Использование так называемого квантового ключевого распределения (ККР) гарантировало бы абсолютную безопасность по сути, позволяя Алисе и Бобу передать ключ «одноразовой клавиатуры» прямо под носом у хакеров. Специалисты создали несколько протоколов, каждый из которых функционирует на основе важнейшего принципа квантовой механики: невозможно измерить состояние частицы, например, фотона, не изменяя его состояния. Это означает, что, если Алиса кодирует ключ в фотонах правильным способом, хакер не сможет перехватить и измерить фотоны, не показав своего присутствия Алисе и Бобу.

Специалисты создавали и совершенствовали такие системы в течение более чем десяти лет, и в 2008 они соединили шесть из них вместе, чтобы сформировать элементарную квантовую сеть в Вене. Сегодня Toshiba – изготовитель электроники, один из участников в таком проекте, повысил планку достижений в этой сфере исследований – ее система может распределить биты(частицы) ключа по 50-километровому волокну со скоростью до 1 мегабит в секунду, в сравнении с несколькими килобитами в секунду, (традиционная скорость систем-предшественников). Об этом доложил Эндрю Шилдс (Andrew Shields) – физик и помощник управляющего директора в Toshiba Research Europe Ltd в Кембридже (Великобритания). Группа специалистов также показала, что новая система может непрерывно функционировать в течение 36 часов, что намного дольше чем несколько минут, достигнутых ранее.

Для более быстрого распространения ключа лучше использовать датчик фотонов", – говорит Шилдс.

Системы Toshiba используют для этого устройства, которые известны как полупроводниковые лавинные фотодиоды, в которых фотон попадая на полупроводник, вызывает «лавину» электрического заряда. Фотодиоды нового поколения обладают более высокой чувствительностью, следовательно, могут обеспечить более быструю передачу информации. Для поддержания долгосрочной работы, исследователи Toshiba смонтировали систему обратной связи.

Рис. 1. Кремниевые лавинные фотодиоды (фото с сайта L2k.Kr).

Новая система будет использована в практических целях уже в октябре этого года как часть Токийской ККР-сети, в которой исследователи будут использовать различные системы, чтобы соединить два здания, принадлежащие Национальному институту информации, технологий и коммуникаций Японии и трех других зданий. Как отметил Масахиде Сасаки (Masahide Sasaki), физик этого института – «Способность кодировать видео конференц-связь является ключевой необходимостью в высококачественных системах связи, таких как правительственные коммуникации. Системы-предшественницы могли обращаться таким образом только с голосовой конференц-связью».

Результаты исследований представлены в статье

A. R. Dixon, Z. L. Yuan, J. F. Dynes, A. W. Sharpe, and A. J. Shields Continuous operation of high bit rate quantum key distribution. – Appl. Phys. Lett. 96, 161102 (2010); doi:10.1063/1.3385293.

Статья переведена и отредактирована Филипповым Ю.П. по материалам: