Все современные криптографические системы делятся на симметричные и несимметричные. Симметричные или системы с секретным ключом представляют собой такие системы, в которых Алиса и Боб (принятые в научной литературе условные имена для передающей и принимающей сторон соответственно) владеют конфиденциальной информацией (например, ключом), которая не известна Еве (условное имя для обозначения подслушивающей стороны). Ключ применяется каждый раз для кодирования и декодирования передаваемой информации. В несимметричных системах или системах с открытым ключом используется два ключа. Один из них (публичный ключ) используется для шифрования, в то время как другой (секретный ключ), используется для дешифрования сообщений.
Бурное развитие квантовых технологий привело к появлению нового направления в криптографии - квантовой криптографии. Генерация ключа методами квантовой криптографии осуществляется непосредственно в процессе передачи единичных фотонов по каналу связи. Надежность этих методов базируется на незыблемости фундаментальных законов квантовой физики.
Первоначально квантово-криптографические системы были предназначены для отдельных пар пользователей, но затем стали рассматривать и для большого количества людей. Для генерации секретного ключа было предложено достаточно большое количество протоколов. Однако наиболее распространенным является BB84.
В этом протоколе для передачи ключевой информации однофотонные импульсы кодируются по поляризации, либо по относительной фазе. Эти методы кодирования имеют как преимущества, так и недостатки.
Рассмотрим основные системы с фазовым кодированием.
Рисунок 1. Интерферометр Маха-Цендера (ЛД - лазерный диод, ФМ - фазовый модулятор, ЛФД - лавинный фотодиод)
Эти системы преимущественно используются для передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи, где основным недостатком поляризационного кодирования является случайная деполяризация сигнала.
Главным звеном в системе с кодированием по фазе является интерферометр Маха-Цендера (рис.1), который выполнен из двух волоконно-оптических разветвителей, соединённых между собой, и двух фазовых модуляторов - по одному в каждом плече. В такую систему можно ввести свет, используя классический непрерывный источник, и наблюдать наличие или отсутствие интерференционной картины на выходе. Данное устройство работает как оптический переключатель. Необходимо отметить, что крайне важным является сохранение постоянной и малой разности длин плеч для получения устойчивой интерференции.
Описанное выше поведение интерферометра справедливо и для одиночных фотонов. Вероятность зарегистрировать фотон на одном из выходов будет изменяться с изменением фазы.
В квантовой криптографии интерферометр используется вместе с однофотонным источником и детекторами, подсчитывающими фотоны. Установка Алисы содержит источник, первый разветвитель и первый фазовый модулятор, а установка Боба состоит из второго модулятора, разветвителя и детекторов (см. рис. 1.).
Данная схема прекрасно работает в лабораторных условиях на оптическом столе, но в случае, когда Алиса и Боб отделены друг от друга более чем на несколько метров из-за нестабильности плеч интерферометра приводит к дрейфу фазы, в результате чего возникают ошибки в передаваемом ключе. Для устранения этой проблемы в [1] предложено использовать два несбалансированных интерферометра Маха-Цендера, соединённых последовательно оптическим волокном (см. рис. 2).
Рисунок 2. Система для квантовой криптографии с двумя интерферометрами Маха-Цендера (ЛД - лазерный диод, ФМ - фазовый модулятор, ЛФД - лавинный фотодиод).
Данная система работает следующим образом. Регистрируя количество отсчётов во времени, Боб получает три пика. Первый пик соответствует случаям, когда фотоны прошли по коротким плечам в интерферометрах Алисы и Боба, третий - случаям, когда они прошли по длинным плечам. Наконец, центральный пик соответствует фотонам, прошедшим через короткое плечо у Алисы и через длинное у Боба и наоборот. Такие фотоны интерферируют между собой. Для того чтобы отделить проинтерферировавшие фотоны (то есть центральный пик) от остальных, используется временное "окно". Результат интерференции будет зависеть от состояния фазовых модуляторов Алисы и Боба.
Преимущество этой установки заключается в том, что обе "половинки" фотона проходят по одному и тому же волокну [2]. Следовательно, они проходят пути равной длины в той части системы, которая является наиболее чувствительной к изменениям состояния окружающей среды.
Помимо описанных выше систем, существует так же система Plug&Play. Благодаря этой системе существует возможность автоматически и в пассивном режиме компенсировать все поляризационные флуктуации в оптическом волокне [3]. В данной схеме импульсы, которые излучаются Бобом, могут проходить через короткое плечо у Боба, отражаться от зеркала Фарадея у Алисы и возвращаться уже через длинное плечо у Боба, либо наоборот - проходить через длинное плечо, отражаться и проходить через короткое на обратном пути. Эти два типа импульсов интерферируют на разветвителе. Лавинный же фотодиод расположен только в приемном модуле. Главным недостатком систем "Plug&Play" является уязвимость по отношению к атакам типа "Троянский конь".
Таким образом, в результате проведённой работы были проанализированы основные способы кодирования однофотонных импульсов, применяемые в квантово- криптографических системах, рассмотрены их достоинства и недостатки. Выявлено, что для передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи наиболее предпочтительным является кодирование по относительной фазе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Charles H. Bennett et al. Experimental Quantum Cryptography, Journal of Cryptology, no. 5, 1992.
- Wolfgang Tittel, Gregoire Ribordy and Nicolas Gisin. Quantum Cryptography, Physics World, March 1998.
- Martinelli M., A universal compensator for polarization changes induced by birefringence on a retracting beam. Opt. Commun., 1989, vol. 72, pp. 341-344.
Библиографическая ссылка
Хайров И.Е., Румянцев К.Е., Дзейкало А.А., Жуков М.А., Полывяная В.В. ОБЗОР ОСНОВНЫХ МЕТОДОВ ФОРМИРОВАНИЯ КВАНТОВО-КРИПТОГРАФИЧЕСКОГО КЛЮЧА, С КОДИРОВАНИЕМ ОДНОФОТОННЫХ ИМПУЛЬСОВ ПО ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ФАЗЕ // Современные наукоемкие технологии. – 2004. – № 6. – С. 45-47;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=22207 (дата обращения: 19.04.2024).