Российские физики разработали новый способ устранения ошибок, возникающих при передачи информации по квантовым каналам связи. Этот способ требует на 30 процентов меньше циклов проверок, чем при стандартном «слепом» методе, и раскрывает меньше подробностей о передаваемых ключах. Статья опубликована в Physical Review Applied.

Задача квантовой криптографии обычно заключается в передаче ключа шифрования — последовательности битов, с помощью которой можно надежно зашифровать сообщения, передаваемые по обычным каналам связи. Особенность квантовых каналов заключается в том, что при попытке перехватить информацию злоумышленник должен произвести измерения над квантовым объектом, что неизбежно приводит к нарушению квантового состояния системы. Из-за этого принятая последовательность битов будет отличаться от отправленной, и это отличие легко выявить с помощью проверки по классическим каналам. Тем не менее, при такой проверке участникам приходится обмениваться некоторой информацией об исходном ключе, что замедляет процесс передачи и делает его менее надежным.

С другой стороны, в реальности при передаче информации по квантовым каналам ошибки могут возникать самопроизвольно, даже при отсутствии попыток злоумышленника перехватить сигнал. Поэтому стадию сверки ключей пропустить нельзя. Более того, иногда для исправления ошибок необходимо несколько циклов проверок. Например, при использовании популярного итеративного метода «Каскад», основанного на сравнении четности переданных и принятых сообщений, число циклов связи по классическому каналу может достигать тридцати. Для ускорения передачи ключа и снижения возможностей его компрометации разрабатываются другие методы.

Пример матрицы четности, указывающей на ошибки при передаче ключа. E. O. Kiktenko et al / Phys. Rev. Applied

Один из таких методов предложили в своей работе ученые из РКЦ. Этот метод основывается на методе «слепой» сверки и заключается в следующем. Для начала каждая из сторон модифицирует имеющийся у нее ключ, дополняя его последовательностями битов, в совпадении которых они точно уверены, и последовательностями случайно сгенерированных символов. Затем они вычисляют специальную характеристику (синдром) расширенного ключа и одновременно пересылают ее по классическому каналу другой стороне. Сравнивая синдромы ключей, можно определить, были ли допущены ошибки при пересылке по квантовому каналу, а в некоторых случаях их даже удается исправить. Если однозначной уверенности в совпадении ключей нет, каждая из сторон пересылает немного информации об имеющемся у нее коде и повторяет ту же последовательность действий.

Таким образом ученым удалось снизить число проверок по сравнению со стандартным «слепым» методом, при котором стороны обмениваются информацией строго последовательно. При новом методе число циклов связи по классическому каналу в среднем оказалось на 30 процентов меньше, чем у старого. Кроме того, при росте помех в канале число циклов выходит на постоянную величину и практически не зависит от частоты ошибок в битах.

Зависимость от величины шума в канале передачи эффективности (сверху) и числа циклов проверок (снизу). E. O. Kiktenko et al / Phys. Rev. Applied

Другим важным показателем качества протокола согласования является его эффективность. Грубо говоря, это характеристика, указывающая, как много «лишней» для согласования ключей информации было передано по сравнению с теоретическим пределом. Чем ближе ее значение к единице, тем лучше. Оказалось, что эффективность симметричного слепого метода также выше, чем у обычного слепого, причем при любой частоте ошибок.

В прошлом году физики из РКЦ запустили первую в России линию квантовой связи в городских условиях, по которой отделения «Газпромбанка» обменялись ключами шифрования. Ученые уже проверили возможности нового метода на этой линии и убедились в его работоспособности.

Более подробно о том, как работает квантовая криптография, вы можете прочитать в нашем интервью с учеными из РКЦ. Кстати, один из ученых, у которого мы брали интервью, является соавтором новой статьи.

Автор: Дмитрий Трунин