ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛАБОРАТОРИИ КВАНТОВОЙ КРИПТОГРАФИИ

Кротова Елена Львовна

канд. физ.-мат. наук,

доц. Пермского национального исследовательского политехнического университета,

РФ, г. Пермь

E-mail: 

Андреев Роман Александрович

студент Пермского национального исследовательского политехнического университета,

РФ, г. Пермь

E-mail: abusedroman@gmail.com

Бадртдинов Артём Сергеевич

студент Пермского национального исследовательского политехнического университета,

РФ, г. Пермь

E-mail: asbadrtd@gmail.com

Феофилова Полина Андреевна

студент Пермского национального исследовательского политехнического университета,

РФ, г. Пермь

E-mail: feofilovap@gmail.com

QUANTUM LABORATORY EQUIPMENT

Elena Krotova

сandidate of physical and mathematical sciences,

docent of Perm National Research Polytechnic University,

Russia, Perm

Roman Andreev

student of Perm National Research Polytechnic University,

Russia, Perm

Artem Badrtdinov

student of Perm National Research Polytechnic University,

Russia, Perm

Polina Feofilova

student of Perm National Research Polytechnic University,

Russia, Perm

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрены принципы работы системы квантового распределения ключей, структура сети, перечислено и описано оборудование, необходимое для создания лаборатории квантовой криптографии.

ABSTRACT

This article describes the principles of quantum key distribution, the structure of the network, the equipment necessary to create a laboratory of quantum cryptography.

Ключевые слова: квантовое распределение ключей, криптография.

Keywords: quantum key distribution, cryptography.

Квантовая криптография решает проблему распределения ключей благодаря фундаментальным законам квантовой физики, позволяя сделать процедуру передачи ключа между двумя удаленными устройствами абсолютно безопасными. Далее этот ключ может быть использован в обычных криптографических алгоритмах [3].

Основной принцип квантового распределения ключей (КРК) – это так называемый эффект наблюдателя, состоящий в том, что любое измерение состояния квантовой системы вызывает изменения в этой системе. Например, когда вы читаете эту статью, лист бумаги должен быть освещен. Воздействие света слегка подогреет его и, следовательно, изменит его состояние. Это незаметно на листе бумаги, который представляет собой макроскопический объект. Однако ситуация в корне меняется, когда мы имеем дело с микрообъектами. Если Алиса кодирует значение цифрового бита с помощью фотона, его перехват обязательно приведет к изменению, потому что Ева должна будет его наблюдать. Это изменение вызывает ошибки в последовательности битов, которыми обмениваются Алиса и Боб. Проверяя наличие таких ошибок, обе стороны могут обнаруживать вмешательство злоумышленника. Обнаружение попыток атак является отличительным свойством квантовой криптографии [1].

На рисунке 1 представлена структура сети с использованием квантовой криптографии.

Рисунок 1. Схема простейшей сети квантовой криптографии

Алгоритм отправки сообщения:

1. Алиса требует ключ у СКРК_А,
2. СКРК_А отправляет ключ в СКРК_Б по защищенному оптическому каналу,
3. Алиса шифрует свое сообщение с помощью сгенерированного ключа,
4. Алиса отправляет зашифрованное сообщение Бобу по открытому каналу,
5. Боб расшифровывает полученный шифротекст с помощью ключа, полученного от СКРК_Б.

Для изучения квантовой криптографии в лаборатории необходимо разместить следующее оборудование:

1. Система квантового распределения ключей – id3100 Clavis2,
2. Компьютеры под управлением операционной системы Linux Ubuntu,
3. Пассивные соединительные элементы,
4. Генератор случайных чисел Quantis (USB, PCI EXPRESS, PCI),
5. Источник спаренных фотонов ID350-PPLN,
6. Детектор одиночных фотонов id400,
7. Источник субнаносекундных лазерных импульсов id300.

В качестве системы квантового распределения ключей возможно использование исследовательской платформы id3100 Clavis2 (рисунок 2). Это система состоит из оптической и электронной частей [4]. Управление платформой выполняется с помощью компьютера под управлением операционной системы Linux Ubuntu. Ядром оптической платформы является автокомпенсирующая установка, поддерживающая такие квантовые протоколы, как BB84 и SARG.

Рисунок 2. Схема оптической платформы id3100 Clavis2

В качестве оптического канала распределения ключей используется либо оптоволоконный кабель, свободное пространство, в котором отсутствуют предметы, мешающие распределению луча лазера. Но следует не забывать, что при использовании оптоволокна возможен перехват информации.

В криптографии немаловажную роль занимает генерация случайных чисел [2]. Процессы, основанные на квантовой физике, позволяют получить действительно случайные числа. В основе такой генерации лежит передача фотонов на полупрозрачное зеркало (рисунок 3).

Рисунок 3. Оптическая система генератора случайных чисел

Используя вышеперечисленное оборудование можно создать лабораторию по изучению и исследованию принципов квантовой криптографии и способов реализации сетей с использованием квантового распределения ключей.

Список литературы:

1. Bruss D., Luetkenhaus К Quantum Key Distribution: From Principles to Practicalities. – arXiv:quant-ph/9901061 v. 2 (1999).
2. Gisin N. et al. Quantum Cryptography. – Reviews of Modern Physics, 74, Р. 145–195 (2002).
3. Ribordy G., W. Tittel, and H. Zbinden, 2002, “Quantum cryptography”, Group of Applied Physics, University of Geneva, 1211 Geneva 4, Switzerland.
4. Stucki D. et al. Quantum key distribution over 67 km with a plug & play system. – New J. Phys. 4, July 2002, 41.