CC BY
57
Секция ««Электронная техника и технологии»
УДК 621.396
СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ КВАНТОВЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ
В. И. Гриц, Д. О. Малышев Научный руководитель - И. Я. Шестаков
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: botanic_95@mail.ru
Рассматриваются современные спутниковые системы, выявляются их основные достоинства и недостатки. Анализируется технология квантовой связи и квантовой криптографии, поясняется принцип работы данных технологий.
Ключевые слова: спутниковая система, фотон, квантовое состояние, базис, поляризация.
SATELLITE SYSTEMS BASED ON QUANTUM COMMUNICATION LINES
V. I. Grits, D. O. Malyshev Scientific Supervisor - I. Ya. Shestakov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: botanic_95@mail.ru
Modern satellite systems are considered, their main advantages and disadvantages are revealed. The technology of quantum communication and quantum cryptography is examined, the principle of operation of these technologies is explained.
Keywords: satellite system, photon, quantum state, basis, polarization.
В зависимости от вида предоставляемых услуг систем спутниковой связи можно разделить на три основных класса: речевой (радиотелефонной) связи; пакетной передачи данных; определения местоположения (координат) абонентов.
При радиотелефонной связи в системах спутниковой связи используют цифровую передачу сообщений, при этом обязательно должны выполняться международные стандарты. В таких системах задержка сигнала на трассе распространения не должна превышать 0,1 с и переговоры абонентов не должны прерываться во время сеанса связи.
Системы пакетной передачи данных предназначены для передачи в цифровом виде любых данных (телексных, факсимильных сообщений, компьютерных данных и т. п.). Скорость передачи данных в космических системах связи составляет от единиц до сотен килобайт в секунду. В этих системах, как правило, не предъявляется жестких требований к оперативности доставки сообщений.
Для определения местоположения абонента применяется стандартная навигационная аппаратура GPS систем ГЛОНАСС/НАВСТАР, которая обеспечивает очень высокую точность определения координат потребителя и специальная навигационная аппаратура, которая по сигналам спутников персональной связи и/или шлюзовых станций позволяет определять координаты абонента, но с меньшей точностью. Используя аппаратуру второго типа, можно определять координаты абонента по сигналам 4-х спутников персональной связи, шлюзовых станций, спутников и шлюзовых станций.
Рассмотренные выше системы спутниковой связи обладают одним весьма серьезным недостатком. Это низкая устойчивость ко взлому. Фактически любой опытный хакер способен без особого труда подключиться к сети и «воровать» из нее информацию абонентов [1].
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2018. Том 1
Одним из решений данной проблемы может служить технология так называемой «квантовой связи».
Квантовая связь -это совокупность методов для передачи квантовой информации, т. е. информации, закодированной в квантовых состояниях (КС), из одной пространственной точки в другую. Носителями квантовой информации являются квантовые системы, которые могут находиться в различных квантовых состояниях.
Обмен информацией между удалёнными пользователями происходит с учётом типа квантовых состояний, которые, в отличие от классических состояний, могут быть неортогональными и перепутанными (сцепленными). Кодирование классической информации в неортогональные КС даёт возможность сопровождать каждое сообщение собственным секретным ключом, т. е. разрешить одну из основных проблем классической криптографии - безусловно секретное распределение ключей. Свойство перепутанности КС позволяет обеспечить доставку двух идентичных последовательностей битов двум удалённым пользователям с гарантией, что информация, содержащаяся в них, недоступна третьей стороне. И в первом, и во втором случае абсолютная секретность передаваемых данных обеспечивается не вычислительными и техническими возможностями легитимных пользователей и потенциального перехватчика, а законами природы, основанными на линейности и унитарности квантовых преобразований и на неопределенностей соотношениях.
Наиболее подходящими квантовыми системами, используемыми для передачи КС на большие расстояния, являются фотоны. Они распространяются со скоростью света, позволяют кодировать информацию в частотных, фазовых, амплитудных, поляризационных и временных переменных. К тому же использование фотонов как носителей информации позволяет применять ряд технологических достижений в области классических телекоммуникаций - оптические волоконные линии связи, всевозможные модуляторы и преобразователи оптических сигналов [2; 3].
Любая система квантовой связи состоит из источника квантовых состояний, среды, в которой распространяются эти состояния (канала связи), и детекторов, измеряющих КС. Для генерации КС на отдельных фотонах в основном используют сильно ослабленные лазерные импульсы. Перепутанные состояния пар фотонов генерируются в процессе спонтанного параметрического рассеяния (СПР) света.
Среда, в которой распространяются КС, представляет собой волоконно-оптические линии связи или открытое пространство. Стандартные волоконно-оптические линии связи изготавливаются из плавленого кварца и имеют минимальные потери на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм. Если каналом связи является открытое пространство, то минимальные потери происходят на длине волны 0,8 мкм и в области 4-10 мкм. Именно на этих длинах волн генерируются оптические КС в зависимости от типа линии связи.
История квантовой криптографии началась еще в конце 1960-х годов, когда студент Колумбийского университета Стивен Визнер изложил своему бывшему сокурснику Чарльзу Бенне-ту идею квантовых банкнот, которые в принципе нельзя подделать, поскольку это исключают законы природы. Суть идеи состояла в том, чтобы поместить на каждую банкноту несколько квантовых объектов. Это могут быть, например, ловушки с фотонами, каждый из которых поляризован под определенным углом в одном из двух базисов - либо под углом 0 и 90, либо 45 и 135 градусов. Серийный номер напечатан на банкноте, но соответствующая номеру комбинация поляризаций и базисов (фильтров, с помощью которых фотону придается или измеряется его поляризация) при этом известна только банку. Чтобы подделать такую банкноту, фальшивомонетчик должен измерить поляризацию каждого фотона, но он не знает, в каком базисе поляризован каждый из них. Если он ошибется с базисом, то поляризация фотона изменится, и поддельная банкнота будет с неверной поляризацией. Квантовые деньги до сих пор не появились, поскольку пока не удалось создать достаточно надежных ловушек для фотонов. Однако тогда же Визнер предложил использовать тот же самый принцип для защиты информации, и эта технология сейчас уже близка к реализации.
Первый протокол квантового распределения ключей был создан Жилем Брассаром и Чарльзом Беннетом в 1984 году и получил название ББ84. Для передачи данных используются фотоны, поляризованные в четырех разных направлениях, в двух базисах - под углом 0 и 90 гра-
Секция «Электронная техника и технологии»
дусов (обозначается знаком +) либо 45 и 135 градусов (x). Отправитель сообщения A (традиционно его называют «Алиса») поляризует каждый фотон в случайно выбранном базисе, а затем отправляет его получателю B - «Бобу». Боб измеряет каждый фотон, тоже в случайно выбранном базисе. После этого Алиса по открытому каналу сообщает Бобу последовательность своих базисов, и Боб отбрасывает неправильные (не совпавшие) базисы и сообщает Алисе, какие данные «не прошли». При этом сами значения, полученные в результате измерений, они по открытому каналу не обсуждают. Если шпион (его обычно называют «Евой», от английского eavesdropping -подслушивание) захочет перехватить секретный ключ, он должен будет измерять поляризацию фотонов. Поскольку он не знает базиса, он должен будет определять его случайным образом. Если базис будет определен неправильно, то Ева не получит верных данных, а кроме того, изменит поляризацию фотона. Появившиеся ошибки сразу обнаружат и Алиса, и Боб.
Библиографические ссылки
1. Кантор Л. Я., Тимофеев В. В. Спутниковая связь и проблема геостационарной орбиты.
2. Килин С. Я. Квантовая информация // Успехи физических наук. 1999. Т. 168, вып. 5; Физика квантовой информации / под ред. Д. Боумейстера и др. М., 2002.
3. Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация. М., 2006.
© Гриц В. И., Шестаков И. Я., Малышев Д. О., 2018
