СКВОЗНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ТРЕТЬЕЙ ВОЛНЫ: ФОТОНИКА И КВАНТОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ПРАКТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ КОММУНИКАЦИИ
ЮРИЙ КУРОЧКИН
КАНДИДАТ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК, РОССИЙСКИЙ КВАНТОВЫЙ ЦЕНТР
Развитие современных технологий уже привело к созданию новой реальности для бизнеса — цифровой экономики. Компании взаимодействуют друг с другом и с потребителями своих услуг во многом через цифровые каналы, отправляя и получая информацию. При этом возникает проблема доверия к такой информации
квантовая криптография и ее реализация в виде настольной модульной установки («университетской установки»)
определения
Квантовая криптография — способ защиты информации, основанный на принципах квантовой физики.
Квантовое распределение ключей — метод передачи ключа, который использует квантовые явления для гарантии безопасной связи. Этот метод позволяет двум сторонам, соединенным по открытому каналу связи, создать общий случайный ключ, который известен только им, и использовать его для шифрования и расшифрования сообщений.
Квантовые коммуникации (QC) — это область знаний о передаче неизвестного квантового состояния из одного местоположения (скажем, от Алисы) в другое, удаленное от первого местоположение (скажем, Бобу).
Квантовая сеть — коммуникационная сеть, защищающая передаваемые данные с использованием фундаментальных законов квантовой механики. Является практической реализацией так называемой квантовой криптографии. Квантовые сети формируют важный элемент квантовых вычислений и квантовых систем криптографии. Они допускают транспортировку квантовой информации между физически разделенными квантовыми системами. В распределенных квантовых вычислениях сетевые узлы в сети могут обрабатывать информацию, выполняя функцию квантовых вентилей. Безопасная передача данных может быть реализована с помощью алгоритмов квантового распределения ключей.
Новые вычислительные технологии, а именно разработки по созданию квантового компьютера, несут тотальную угрозу существующей информационной инфраструктуре.
Общие проблемы классической криптографии и коммуникаций
Срок секретности информации
Информация останется чувствительна, может быть сохранена сейчас, а после появления квантового компьютера расшифрована
Увеличение шифруемых данных, в отличии от ключа
Растет скорость каналов передачи данных, хранилища становятся емкими
Рост умных вещей
Ключи применяются как элемент базового доверия
Майнинговые фермы
Снижением интереса к криптовалюте высвобождается большое количество высокопроизводительного оборудования
Для решения данных проблем компания QRate разрабатывает методы, используемые для шифрования, которые основаны на постклассической квантовой криптографии. При использовании новых технологий у квантовой криптографии, а значит, и у команды QRate возникают следующие задачи:
Ограничение по расстоянию
Существующие устройства распределения квантового ключа могут работать только на расстояниях до 300 км. Для того чтобы достигнуть глобальных расстояний, необходимо использовать доверенные узлы сети или квантовые повторители, возможно, включая спутники.
Аутентификация
Проверка ключа безопасности, который можно взломать, перехватить
Миниатюризация
квантовая криптография
Это направление появилось в 70-е гг.прошлого века из идеи Стивена Визнера, предложившего «квантовые деньги», которые невозможно подделать в процессе копирования. В 80-е гг. был разработан и экспериментально реализован первый протокол распределения квантового ключа BB84. В то время как в 90-е гг. эксперименты в этой области большинство физиков считали дорогой игрушкой. В настоящее время для использования оборудования по квантовой криптографии необходимы специалисты, которые сейчас еще студенты. Научная группа QRate разработала систему квантового распределения ключа, которая используется в таких коммерческих разработках, как:
ПРИМЕНЕНИЕ
Использование ключей для канальных шифраторов, работающих на классических криптографических алгоритмах на 2–3 уровне модели OSI. Вехи: полевые испытания в ГПБ и Сбербанке, партнерства с S-terra, Код безопасности, Амикон
Использование ключей для оборудования магистральных оптических каналов (DWDM) с шифрованием на 1-м — физическом — уровне. Вехи: партнерства с Т8, Huawei
Использование ключей как элемента корневого доверия (Root-of-trust) для умных устройств
ДЕТЕКТОРЫ ОДИНОЧНОГО ФОТОНА
Компания «ID Quantique» (Швейцария), с 2001 г. основной деятельностью которой является создание систем квантового распределения ключа, квантовая защита связи Financial District с дата-центрами в интересах банков Швейцарии (Hyposwiss, Notenstein, Swissquote).
Полупроводниковый лавинный детектор одиночных фотонов (ДОФ) компании QRate был разработан для применения в квантовых коммуникациях. Как следствие, он наилучшим образом проявляет себя на телекоммуникационных длинах волн.
Преимущества разработки заключаются в низком уровне темновых отсчетов и настраиваемых параметрах задержек, стробирования и мертвого времени. Таким образом, детектор одиночного фотона идеально подходит для использования в таких областях:
Построение абсолютно защищенных сетей передачи данных на основе технологий квантовых коммуникаций
Проведение экспериментов по запутыванию фотонов, генерации однофотонных полей в волокне в квантовой оптике
Обнаружение слабых оптических сигналов при проведении микробиологических исследований
Проведение трехмерного картографирования местности с больших высот
УНИВЕРСИТЕТСКАЯ УСТАНОВКА
Установка используется для проведения учебных и научно-исследовательских работ в области квантовых коммуникаций. Она является модульной, в частности позволяет модифицировать оптические схемы, варьировать электронные компоненты, а также исследовать перспективные протоколы.

Университетская установка квантового ключа: Алиса, Боб
Программное обеспечение системы основано на платформе LabVIEW, для контроля сигналов используется плата ПЛИС производства National Instruments. На основе системы QRate в университетах могут проводиться лабораторные работы для студентов.
СПУТНИКОВАЯ ПРОГРАММА
Разработка и коммерциализация нового типа систем передачи информации по оптическому каналу спутник — наземная станция. Применение технологий оптической передачи данных значительно повышает пропускную способность канала связи. Технология квантовой криптографии обеспечивает абсолютную конфиденциальность данных систем.
Проект основывается на наработках в области квантовой оптики и телекоммуникациях, таких как создание оптоволоконных и атмосферных каналов квантового распределения секретного ключа. Была создана экспериментальная установка, позволяющая осуществлять квантовое распределение ключа на основе кодирования информации поляризацией.

Работы по спутниковой программе
В 2015 году компания «QuantumCTek» (Китай) продемонстрировала квантово-криптографически защищенную видеосвязь. Высокая степень ориентированности на коммерческий сектор: разрабатываемая сеть объединяет 12 банков, а также крупные компании (например, Alibaba). В Китае была создана магистраль квантовой связи между городами с 32 надежными трансляторами, объединившая четыре внутригородские столичные сети, запуск спутника для квантовой коммуникации в конце 2016 года.

Магистраль квантовой сети Шанхай — Бэйцзин
ПРОБЛЕМЫ И НАПРАВЛЕНИЯ КВАНТОВОЙ КРИПТОГРАФИИ И КВАНТОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ
ЗАДАЧИ ДЛЯ НАШЕЙ КОМАНДЫ В QRATE:
Аутентификации, проверки подлинности управляющих сигналов
Распределенное хранение данных
Блокчейн
Миниатюризация
Передачи квантовых состояний, квантовый интернет
выводы
Квантовые технологии позволяют не только взламывать криптографические ключи, но и обеспечивать более высокий и ранее недоступный уровень информационной безопасности
На основе представленной нами настольной модульной установки для распределения квантового ключа предполагается организация квантовых сетей как внутри конкретных организаций, так и обеспечение связи между ними
Распределенное хранение данных и блокчейн могут быть защищены квантовой криптографией. Для того чтобы решать довольно сложные задачи, касающиеся передачи и обработки сигналов, необходимо глубоко вникнуть как в визуальное программирование потоков, так и в физический смысл процессов
материалы
Больше лонгридов и заданий доступны при записи на курс