Ученые из Российского квантового центра и Математического института имени В.А. Стеклова РАН совместно с коллегами из Сингапура разработали новый метод коррекции ошибок для систем квантовой криптографии, который позволяет повысить скорость генерации шифровальных ключей, а значит, и скорость передачи секретных данных. Авторы исследования, опубликованного в Physical Review Applied, уже проверили новый метод в московской квантовой сети и убедились, что он успешно работает.

Квантовая криптография основана на передаче и приеме квантовых состояний для получения двух идентичных строк случайных битов (ключей), которые известны лишь двум «собеседникам» — легитимным пользователям. При попытке прочитать ключи в процессе их передачи, перехватчик вынужден измерять квантовые состояния, что, согласно законам квантовой механики, приводит к необратимому изменению этих состояний. Искажение квантового сигнала, в свою очередь, ведет к появлению ошибки, которая может быть легко обнаружена легитимными пользователями с помощью общения по классическому каналу. Таким образом, квантовая криптография позволяет обнаружить факт подслушивания на основе искусного использования фундаментальных законов физики.

В реальных системах квантовой криптографии ошибки при передаче квантовых состояний неизбежно появляются, даже если перехватчика нет. Все дело в помехах в квантовом канале и несовершенстве существующих детекторов. Поэтому после передачи квантовых состояний необходимо исправить ошибки, а затем усилить секретность, чтобы уменьшить потенциальную информацию противника до пренебрежимо малой величины. Для этого используется коммуникация по обычному классическому каналу связи. Одно из важных требований к протоколу исправления ошибок — минимизация информации, которая передается по этому каналу, поскольку его могут «прослушивать».

Специально для квантовой криптографии был разработан протокол исправления ошибок «Каскад». Он реализуется в несколько раундов, которые состоят из сравнений четности блоков ключа. Это достаточно эффективный протокол, позволяющий исправить все ошибки с большой вероятностью. Его основной недостаток состоит в том, что число раундов коммуникации между легитимными сторонами велико, что снижает скорость создания секретного ключа.

Ученые разработали другой метод, использующий коды с малой плотностью проверок на четность. В этом методе одна из сторон единовременно пересылает специальную строку битов (так называемый синдром), который содержит частичную информацию о ключе. При благоприятных обстоятельствах эта информация позволяет другой стороне сразу исправить все ошибки. Если это не удается, то запускаются следующие раунды коммуникации, в которых принимающей стороне пересылаются дополнительные биты информации о ключе. Они и позволяют исправить ошибки с помощью ранее полученного синдрома. В данном методе, получившем название «слепого согласования», для исправления ошибок требуется значительно меньше коммуникационных раундов, чем в «Каскаде», что повышает скорость создания секретного ключа.

Группа под руководством Алексея Федорова из Российского квантового центра разработала новый протокол, который позволяет одновременно снизить число раундов коммуникации и уменьшить объем информации, объявляемой в ходе исправления ошибок.

«Мы создали более «симметричный» метод исправления ошибок, в рамках которого оба участника пересылают синдромы друг другу. За счет этой симметрии мы смогли на 10% снизить объем объявляемой информации и на 30% — количество раундов по сравнению со стандартным методом «слепого согласования», основанного на низкоплотностных кодах», — рассказывает главный автор протокола, научный сотрудник РКЦ Евгений Киктенко. Ученые уже проверили возможности нового метода на реальной квантовой сети, созданной ранее в Москве, и убедились в ее работоспособности.