Новый метод оценки шумов повысит уровень надёжности систем квантовой криптографии

Учёные Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСИС предложили новый подход к оценке уровней классического и квантового шумов в квантовом генераторе случайных чисел, что должно повысить уровень защищенности устройств квантовой криптографии. Теоретические и экспериментальные методы, описанные в исследовании, позволяют отфильтровывать классические и квантовые шумы, исключая возможность внешнего вмешательства в процесс генерации случайных последовательностей, тем самым повышая надежность квантового генератора случайных чисел.

Криптография – это наука о методах шифрования конфиденциальной информации для последующей ее передачи по открытым каналам связи. Шифрование сообщений осуществляется с помощью так называемых криптографических ключей. В случае симметричного шифрования используется один ключ, который предварительно надо распределить между “абонентами”. Но наиболее популярными сегодня являются методы асимметричного шифрования, которые используют два ключа: открытый и закрытый. Закрытый ключ хранится у получателя, а открытый – отправляется по обычному информационному каналу. Для расшифровки сообщений требуется знание обоих ключей.

Квантовый компьютер может взломать большинство современных криптографических систем, использующих асимметричное шифрование, поэтому ученые активно разрабатывают и внедряют методы квантовой криптографии, в которых используются принципы квантовой механики. Эти системы обеспечивают безопасное распределение секретного ключа между абонентами.

Как правило, квантовый ключ распределяется по оптическому каналу с использованием одиночных фотонов или ослабленных лазерных импульсов. Согласно законам квантовой механики невозможно незаметно перехватить одиночные кванты света, поэтому любая попытка узнать секретный ключ будет обнаружена. После того как ключ успешно распределен между участниками криптографической системы, они могут использовать традиционные методы симметричного шифрования, которые устойчивы к взлому со стороны квантового компьютера.

Важным элементом системы квантового распределения ключей является квантовый генератор случайных чисел. При попытке узнать квантовый ключ злоумышленник может атаковать этот элемент системы. Для повышения защиты устройства ученые Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСИС представили теоретические и экспериментальные методы оценки случайных изменений фазы в полупроводниковом лазере, который является одним из наиболее распространенных источников квантовой случайности в генераторах случайных чисел.

«Мы разработали способ, позволяющий оценить вклады классического и квантового шумов в интерференцию лазерных импульсов при наличии фазовых корреляций. Также мы предложили простой экспериментальный метод, основанный на анализе так называемых “статистических интерференционных полос”, который позволяет получить подробную информацию о вероятностных свойствах лазерного излучения», — рассказал заведующий лабораторией элементной базы квантовых коммуникаций НИТУ МИСИС Роман Шаховой.

Оказалось, что даже при случайных изменениях фазы (фазовом дрейфе) в оптической схеме интерференция лазерных импульсов (явление, которое происходит, когда две или более волны встречаются друг с другом) все еще сохраняла свои квантовые свойства. Подробно эксперимент описан в международном журнале Physical Review A (Q2).

Новый подход позволяет получить более подробную информацию о вероятностных свойствах лазерных импульсов и тем самым повысить надежность квантовых генераторов случайных чисел и, как следствие, систем квантового распределения ключей. В данный момент ученые исследуют влияние внешней засветки на случайность интерференции для того, чтобы повысить защищенность устройств квантовой криптографии.