CC BY
41
КОМБИНИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СУЩЕСТВУЮЩИХ КВАНТОВЫХ КРИПТОГРАФИЧЕСКИХ СИСТЕМ В ЦЕЛОСТНЫЙ КОМПЛЕКС ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
Болонная Елизавета Игоревна
соискатель, специалист, Черновицкий национальный университет им. Юрия Федьковича,
Украина, г. Черновцы Е-mail: [email protected]
Шпатарь Петр Михайлович
канд. техн. наук, доцент, Черновицкий национальный университет им. Юрия Федьковича,
Украина, г. Черновцы Е-mail: [email protected]
COMBINING THE CHARACTERISTICS OF A QUANTUM CRYPTOGRAPHIC SYSTEMS IN THE INTEGRITY COMPLEX DATA
Bolonna Elizaveta
competitor, specialist of Chernivtsi national University named after Yuriy Fedkovych,
Ukraine, Chernivtsi
Shpatar Petro
candidate of Technical Scienceof of Chernivtsi national University named after Yuriy Fedkovych,
Ukraine, Chernivtsi
АННОТАЦИЯ
Цель работы — разработка комплексной квантово-криптографической системы передачи информации с использованием соответствующих базисов фотона. В данной гибридной системе используется прогнозирование
Болонная Е.И., Шпатарь П.М. Комбинирование характеристик существующих квантовых криптографических систем в целостный комплекс передачи данных // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2013. № 1 (1) . URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/784
по временной и фазовой области для обеспечения синхронизации передачи информации. Такая система является современной разработкой и стремится исключить изъяны, которые наблюдаются в других системах.
ABSTRACT
The article is dedicated to modern methods of data transfer in quantum systems. The authors offer hybrid transmission system of quantum algorithm. System eliminates availability drawbacks of other quantum systems. In this hybrid system is used prediction and temporal phase domain for transmission information.
Ключевые слова: квантовая криптосистема, гибридная система передачи информации, фотон.
Keywords: quantum cryptosystem, hybrid transmission system information, photon.
Квантовая криптография и вообще криптографическая наука прошла долгий и сложный путь к своему полному становлению. История классической криптографии насчитывает около 4000 лет. Алгоритмы и системы менялись, появлялись новые методы и способы передачи секретных данных. Но если проанализировать весь путь, который прошла классическая криптография, то можно заметить следующую тенденцию: криптостойкость алгоритма зависит не только от сложности математического аппарата системы, но и изобретательности создателя алгоритма. Развитие IT-общества побуждает ученых искать более надежные решения для устранения проблемы конфиденциальности передачи данных по сети и для формирования устойчивых ключей сетевых сессий.
Идея квантового компьютера и квантовых вычислений появилась еще в 1980 г. Несмотря на интенсивное развитие науки и техники, полноценный квантовый компьютер до сих пор не создан. Мечты о быстрых исчислениях и абсолютно надежных ключах вылились в идею квантовой криптографии и квантово-криптографических систем. Хотя квантового компьютера
на сегодня пока не существует (в надежном и приемлемом для пользователя виде), квантовая криптография нашла свое применение и без него.
В основе надежности квантовой криптографии лежат несокрушимые законы квантовой механики. Следует заметить, что в микромире действуют другие законы и применять классический подход здесь невозможно, поэтому на помощь приходит разнообразие квантовых законов. В частности, квантовая криптография обязана своей надежностью существованию принципа неопределенности Гейзенберга, коллапсу волновой функции (редукция фон Неймана) и другим законам квантовой механики.
При анализе существующих квантово-криптографических систем мы выделили три основных вида таких систем: с поляризационным кодированием, с фазовым кодированием и временным кодированием. Чем больше параметров безопасности исследователь накладывает на систему и контролирует их, тем в большей степени пользователь может получить уровень безопасности и защиты от злоумышленника. Забегая вперед, следует сказать, что при анализе недостатки были обнаружены в каждой системе. Поэтому при комбинировании систем в один комплекс мы пытались избавиться от таких негативных черт. В данном случае нам на помощь пришла оптическая электроника и волоконная оптика. Поэтому было принято решение заменить интерферометры Маха-Цендера на обычный оптический разветвитель с указанными параметрами ответвления.
Перед рассмотрением структурной схемы следует ввести некоторые как новые, так и фундаментальные понятия для квантовой системы. Традиционно передатчика называют Алисой, приемника информации — Бобом, а злоумышленника — Евой. В данной системе мы вводим понятие синхронизационных и информационных фотонов. Информационный фотон — носитель информации, который передает основную (полезную) информацию. Синхронизационный фотон — это фотон, который необходим для синхронизации действий Алисы и Боба и является точкой отсчета при передаче ключевой последовательности. Нужно подчеркнуть
необходимость и полезность данного шага: если Ева каким-то образом и проникнет в канал передачи информации, то, не зная предварительной договоренности участников передачи, она никоим образом не отличит информационный фотон от синхронизационного.
Итак, перейдем к рассмотрению структурной схемы комплекса, которая представлена на рис. 1.
Рисунок 1. Структурная схема комплекса
Пока что мы разработали квантово-криптографическую систему, которая генерирует только ортогональный базис (вертикального и горизонтального направления). Как показано на рисунке, система имеет три полупроводниковых диодных лазера, два из которых необходимы для генерации информационных фотонов, и еще один, который генерирует фотоны для синхронизации. Конечно, лазеры должны быть термостабилизированными. С персонального компьютера для начала и завершения генерации излучения на лазеры подаются управляющие сигналы. Лазер 1 и лазер 2 соединены между собой У-подобным разветвителем для того, чтобы отсеять необходимость использования большего количества приборов для одного единственного базиса. После разветвителя установлен аттенюатор, который ослабляет пучок, излученный лазером, и обеспечивает необходимую степень однофотонности. После аттенюатора мы получили «живой материал», с которым можно работать и которому можно задавать нужные параметры. Фазовый модулятор задает фазу для пучка, а поляроид П1 задает поляризацию. Такие же операции проходит и пучок,
сгенерированный лазером 3 для синхронизации. Затем излучение попадает на специальное устройство — оптический разветвитель Х-типа, о котором подробнее будет сказано ниже. Фотон попадает на систему волновых пластинок, которые вращают фазу фотона так, как того требует договоренность между Алисой и Бобом перед передачей данных. То есть система волновых пластинок даст нам такой поворот фазы, о котором будут знать только участники информационного обмена. Фазовые детекторы снимают фазу частицы, а поляризационные призмы — поляризацию. Далее луч попадает на лавинные фотодиоды, которые и регистрируют приход частицы.
Теперь пошагово рассмотрим принцип работы схемы. Перед началом передачи ключевой последовательности участники информационного обмена Алиса и Боб проводят предварительную договоренность. В данной системе Алисе и Бобу необходимо договориться о фазе фотона, который генерирует Алиса, и задании временных промежутков между парами синхронизационных фотон — информационный фотон. Может возникнуть вопрос, зачем нужно задавать последовательность фазы фотонов, которые будут генерировать Алиса. В данной гибридной системе мы используем прогнозирование по временной и фазовой области. На приемной стороне Боба, как видно из рис. 1, есть система волновых пластинок. Она необходима для обеспечения поворота фазы фотона на определенный угол. Алиса и Боб знают технологические характеристики системы и таким образом могут спрогнозировать, какую фазу мы получим на выходе. Если Ева перехватит такой фотон и применит атаку типа измерения — пересылка, то эта попытка подделки ключа провалится, поскольку она не знает, на какой угол поворота должна повернуться фаза благодаря системе волновых пластинок. Также в системе большую роль играет время и часовые задержки, о которых Ева, кстати, не знает ничего. И если она и перехватит хоть кусочек ключевой последовательности, то точно не сможет сказать, где информационные биты (фотоны), а где синхронизационные.
Итак, после предварительной договоренности стороны информационного обмена начинают передачу ключевой последовательности. Сначала включается полупроводниковый лазер 3 для генерации синхроимпульса. Он проходит соответствующие состояния приготовления (ослабление излучения на аттенюаторе, создание новых значений фазы и поляризации) и попадает в квантовый канал передачи данных. Здесь и располагается ключевой компонент гибридной криптосистемы — оптический светоразветвитель. Остановимся на описании этого устройства подробнее.
Оптический разветвитель — пассивный оптический многополюсник [1]. В системе используется разветвитель Х-типа (рис. 2):
Рисунок 2. Схематическое изображения разветвителя Х-типа
Как видно из рисунка, в разветвителе входные порты — 1, 3, а выходные порты — 2, 4. Нашей основной задачей было спрогнозировать, как поведет себя луч при его поступлении на различные входные порты разветвителя. То есть при возможности сделать ряд расчетов, и тогда Боб, зная краевые условия Алисы, смог бы спрогнозировать, через какой порт разветвителя выйдет световой поток. Распространение света в разветвителе определяется распределением мощности между выходными портами устройства. Порт, через который проходит основная доля мощности, называется основным, порт, на который приходится меньшая мощность, называется заглушенным. В основном, в волоконной оптике применяют обычные разветвители 2х2 с характеристиками 50/ 50 (то есть свет равномерно делится между выходами 2 и 4). Но в данном случае такой распределитель для системы не несет никакой пользы, поскольку нам необходим прогноз, на какой именно порт выйдет фотон.
Сейчас рынок волоконной оптики позволяет сделать невозможные вещи вполне действительными, поэтому для построения такого разветвителя необходима специальная технологическая конструкция. Также можно применять и различные конфигурации оптических разветвителей, например, разделение входящего света 45/55 , 25/70 , 20/80 и т. д.
Но вернемся к синхронизационным фотонам. После того как фотон выходит из оптического разветвителя, он попадает на приемную часть Боба и завершает свою миссию. Что же в это время происходит с информационным фотоном? Синхронизационный фотон является сигналом, который говорит о том, что через некоторое время необходимо выпускать информационный фотон. Задержки по времени удобно рассматривать на такой диаграмме, представленной на рис. 3:
Рисунок 3. Часовая диаграмма распределения фотонов
11 — время запуска синхронизационного фотона (от времени его генерации до введения в оптический разветвитель). Как видно из временной диаграммы, запуск синхроимпульса различен для разной случаев.
т — задержка, время, которое отсчитывается между запуском синхрофотона и информационного фотона. Как видно из временной диаграммы, время задержки различно для разных случаев.
12 — время запуска информационного фотона. Как видно из временной диаграммы, запуск инфофотона различен для разной случаев.
Q — так называемое время тишины, передача не происходит, в линии связи нет фотонов. Время тишины также отличается, как видно из временной диаграммы.
Мы наблюдаем, что первый синхронизационный фотон дает начало сеанса связи для генерации секретной последовательности. Время запуска фотонов, задержки и время покоя был оговорен Алисой и Бобом перед началом сеанса связи.
Гибридная квантово-криптографическая система с возможностями прогнозирования жестко закрепляет параметры фотона и позволяет ими управлять, обеспечивая тем самым повышение секретности ключевой последовательности.
Конечно, квантовые криптографические системы связи не являются панацеей от утечки информации, но предоставляют достаточный уровень защиты для использования в сетях связи.
Список литературы:
1. Оптические разветвители — использование в ВОЛС/ [Электронный ресурс]. — Режим доступа: URL: http://fibertool.ru/articles/pon/optical-splitters.html (дата обращения 2.11.13).
