Проектирование системы квантового распределения ключа с интерферометрами Маха - Цендера

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия





К. Е. РУМЯНЦЕВ
H. H. SHAKIR





ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧА
     С ИНТЕРФЕРОМЕТРАМИ МАХА - ЦЕНДЕРА


Учебное пособие

















Ростов-на-Дону -Таганрог Издательство Южного федерального университета 2020

УДК 621.391.64
ББК 32.875я73-5
     Р865
Печатается по решению кафедры информационной безопасности телекоммуникационных систем Института компьютерных технологий и информационной безопасности Южного федерального университета (протокол № 10 от 15 января 2020 г.)
Рецензенты:
заместитель директора по научной работе Ростовского филиала Российской таможенной академии, заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Д. А. Безуглов
профессор кафедры «Антенны и радиопередающие устройства» Южного федерального университета, заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор В. А. Обуховец
     Румянцев, К. Е.
Р865     Проектирование системы квантового распределения ключа с интерферо       метрами Маха - Цендера : учебное пособие / К. Е. Румянцев, H. H. Shakir ; Южный федеральный университет. - Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2020. - 108 с.
         ISBN 978-5-9275-3560-6
         Пособие посвящено проектированию системы квантового распределения ключа по протоколу B92 с интерферометрами Маха - Цендера. Система содержит оптический однофотонный передатчик на станции Алиса и оптический однофотонный приёмник на станции Боб. Оптические передатчик и приёмник соединены волоконно-оптической линией связи на основе одномодового оптического волокна Corning®SMF-28e®ULL. В проектируемой системе для формирования и приёма квантового импульса используется ослабленный лазерный импульс.
         Учебное пособие готовит студента к разработке нормативной, технической и отчётной документации, представлять результаты профессиональной деятельности с использованием стандартов, норм и правил. Проектирование системы квантового распределения ключа по протоколу B92 с интерферометрами Маха - Цендера требует от студента анализа и учёта текущего состояния и тенденций развития технических средств защиты информации, сетей и систем передачи информации при решении задач профессиональной деятельности.
         Пособие предназначено для студентов специальности 10.05.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем». Пособие полезно для подготовки дипломированных специалистов по специальностям и направлению укрупнённой группы 10.00.00 «Информационная безопасность».
УДК 621.391.64
ББК 32.875я73-5
ISBN 978-5-9275-3560-6
                                     © Южный федеральный университет, 2020
                                     © Румянцев К. Е., Shakir H. H., 2020
                                     © Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2020

                ПРЕДИСЛОВИЕ





      Квантовая криптография - направление квантовой информатики. Привлекательность идеи квантовой криптографии состоит в том, что предложен метод создания абсолютно случайного секретного ключа между пользователями квантовой линии связи. Секретность формирования ключа и невозможность незаметного несанкционированного доступа (НСД) к линии связи основаны на законах квантовой физики. Классическая криптография (в противоположность квантовой криптографии) основана на математических закономерностях и, в принципе, поддаётся расшифровке.
      Достичь полной секретности при передаче сообщений, возможно только решив проблему распределения ключей. Одним из физических решений проблемы распределения ключей является квантовая криптография, которая базируется на фундаментальных свойствах квантовой физики. Методы квантовой криптографии реализованы в системах квантового распределения ключей (КРК), принцип действия которых основан на кодировании квантового состояния одиночной частицы.
      Основная цель учебного пособия состоит в представлении на конкретном примере проектирования системы квантового распределения ключа по протоколу B92 с интерферометрами Маха — Цендера.
      Учебное пособие имеет практическую направленность и ориентировано на специалистов, которые будут заниматься эксплуатацией волоконнооптических систем передачи (ВОСП) и систем квантовой криптографии.
      Пособие полезно для подготовки дипломированных специалистов по специальностям и направлению укрупнённой группы 10.00.00 «Информационная безопасность».

                СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ




APC Angle Phisical Contact. Полировка торца оптического во- 
    локна                                                   
D   Detector. Детектор                                      
DC  Directional Coupler. Направленный волоконный ответвитель
DFB Distributed FeedBack. Распределённая обратная связь     
FA  Fiber Attenuator. Волоконно-оптический аттенюатор       
FC  Ferrule Connector. Тип оптического коннектора           
FDL Fiber Delay Loop. Волоконно-оптическая линия задержки   
FS  Fiber Splitter. Волоконно-оптический разветвитель       

FWHM - Full Width at Half Maximum. Ширина спектра лазерного

     излучения                                                
KR   - Key Recorder. Регистратор ключа                        
MMF  - Multi Mode Fiber. Многомодовое оптическое волокно      
OC   - Optical Combiner. Объединитель оптический              
PBS  - Polarizing Beam Splitter. Светоделитель поляризационный
pbc  - Polarizing Beam Combiner. Объединитель поляризационный 
PC   - Polarization Controller. Контроллер поляризации        
PM   - Phase Modulator. Фазовый модулятор                     
PMF  - Polarization Maintaining Fiber. Оптическое волокно, со     храня- ющее состояние поляризации                        
PS   - Polarization Switch. Вращатель плоскости поляризации   
SAPD - Single Avalanche PhotoDiode. Однофотонный лавинный     
     фотодиод                                                 
SMF  - Single Mode Fiber. Одномодовое оптическое волокно      
SR   - Single Receiver. Оптический однофотонный приёмник      
ST   - Single Transmitter. Оптический однофотонный передатчик 
TF   - Transmission Fiber. Волоконно-оптическая линия связи   
ВОЛЗ - Волоконно-оптическая линия задержки                    
ВОЛС - Волоконно-оптическая линия связи                       
ИТТ  - Импульс темнового тока                                 
КРК  - Квантовое распределение ключа                          
ЛФД  - Лавинный фотодиод                                      
НВО  - Направленный волоконный ответвитель                    

4

     Список принятых сокращений               
ОВ   Оптическое волокно                       
ОИИ  Однофотонный источник излучения          
ОЛФД Однофотонный лавинный фотодиод           
ООВ  Одномодовое оптическое волокно           
ОПОМ Однофотонный передающий оптический модуль
ПОМ  Передающий оптический модуль             
СКО  Среднеквадратическое отклонение          
СКРК Система квантового распределения ключей  

                ВВЕДЕНИЕ





      Используя результаты научных исследований системы квантового распределения ключа с интерферометрами Маха - Цендера в работах [1-7], осуществим проектирование системы квантового распределения ключа по протоколу B92 с фазовым кодированием состояний фотонов.
      Использование фазового кодирования состояний фотонов в ВОЛС выглядит более перспективным по сравнению с кодированием поляризации фотонов. Фазовое кодирование фотонов снимает ограничения, накладываемые изменением поляризации при распространении через стандартное оптическое волокно. Успехи в этом направлении достигнуты группой под руководством Townsend P. D., которой в 1993 г. разработана система КРК на ОВ длиной в 10 км [8]. Позднее дальность КРК была увеличена до 30 км [9]. В [10] сообщалось об успешной передаче ключа на расстояние 67 км. Компанией MagiQ создана первая коммерческая система КРК, позволяющая обмениваться секретными ключами уже на расстоянии до 120 км [11]. Рекордная дальность КРК установлена компанией NEC, которой успешно передан ключ по квантовому волоконно-оптическому каналу на 150 км [12] за счёт оптимизации параметров однофотонных фотодетекторов и интерферометров.
      Процесс формирования битов ключа по протоколу В92 иллюстрирует табл. В.1. Из таблицы видно, что при разности фаз л/2 (станции используют несовместимые базисы) фотон равновероятно может быть зарегистрирован как первым, так и вторым однофотонным фотодетектором станции Боб. Термин «однофотонный фотодетектор» подчёркивает, что применяемый фотодетектор способен регистрировать каждый приходящий фотон.
      По открытому каналу связи получатель Боб может сообщить отправителю Алиса, какие из генерированных фотонов приняты. Чтобы злоумышленник не узнал информацию о ключе, по открытому каналу связи можно передать информацию только о том, какие по порядку фотоны приняты, не называя состояния фазового модулятора и применённые фазовые сдвиги. После этого станция Алиса может передавать сообщения, зашифрованные этим ключом.

6

Введение

      В соответствии с протоколом В92 в случае отсутствия помех и искажений (несанкционированного съёма информации, НСИ) в квантовой линии будут правильно приняты биты станцией Боб для формирования секретного ключа.

Таблица В.1

Формирование квантового ключа по протоколу В92

Фазовый сдвиг отправителя Алиса Фa 0   п/2       0       п/2 
Значения бита отправителя Алиса    «0» «1»      «0»      «1» 
Фазовый сдвиг получателя Боб Фв    0    0      3п/2      3п/2
Значения бита получателя Боб       «0» «0»      «1»      «1» 
Разность фаз Фа-Фв                 0   п/2      п/2       п  
Вероятность приёма фотона          1   1/2      1/2       0  
1-м однофотонным фотодетектором                              
Вероятность приёма фотона          0   1/2      1/2       1  
2-м однофотонным фотодетектором                              
Бит ключа                          «0» неопределённость  «1» 

      Для обнаружения факта съёма информации в протоколе B92 используют контроль ошибок: отправитель Алиса и получатель Боб сверяют случайно выбранные биты ключа. Если обнаруживаются несовпадения, то можно говорить о несанкционированном съёме информации.
      Отметим, что формированию квантового ключа по протоколу В92 с фазовым кодированием состояний фотонов на основе двух несбалансированных интерферометров Маха - Цендера предшествует процесс синхронизации моментов посылки фотона передающей станцией Алиса и измерения состояния фазы фотона приёмной станцией Боб.
      На рис. В.1 представлена структурная схема проектируемой системы квантового распределения ключа (КРК), использующей интерферометр Маха - Цендера.
      Система КРК содержит оптический однофотонный передатчик (ST - Single Transmitter) 1 на станции Алиса и оптический однофотонный приёмник (SR - Single Receiver) 2 на станции Боб. Оптический передатчик и оптический приёмник соединены волоконно-оптической линией связи (TF - Transmission Fiber) 3 на основе одномодового оптического волокна (SMF - Single Mode Fiber). В ВОЛС возможно применение и многомодового оптического волокна (MMF - Multi Mode Fiber).

7

Введение

      Для остальных функциональных элементов схемы использовано следующее цифровое обозначение:
      4       - одномодовый одночастотный лазер (Laser) с внутренним (или внешним) волоконным поляризатором для генерирования многофотонного оптического импульса с заданным (вертикальным или горизонтальным) состоянием поляризации;
      5       - регулируемый волоконно-оптический аттенюатор (FA - Fiber Attenuator) для формирования квантового импульса со средним числом фотонов на импульс не более 1. Возможно соединение из нерегулируемых и регулируемого волоконно-оптических аттенюаторов;
      6       - волоконно-оптический разветвитель 1x2 (FS - Fiber Splitter 50/50) для формирования двух идентичных квантовых импульсов с сохранением состояния поляризации квантового импульса;
      7       - первый волоконно-оптический фазовый модулятор (PM1 - Phase Modulator) для фазового кодирования состояния опорного квантового импульса;
      8       - первый контроллер поляризации (PC1 - Polarization Controller) для контроля и управления поляризацией опорного квантового импульса вдоль одной оси;
      9       - первый вращатель плоскости поляризации на п/2 (PS1 - Polarization Switch) для формирования квантового импульса с ортогональным состоянием поляризации относительно состояния входного квантового импульса;
      10       - первая волоконно-оптическая линия задержки (FDL1 - Fiber Delay Loop) для формирования дублирующего квантового импульса;
      11       - поляризационный объединитель (PBC - Polarizing Beam Combiner) для объединения опорного и дублирующего квантовых импульсов с двух плеч интерферометра станции Алиса;
      12       - второй контроллер поляризации (PC2 - Polarization controller) для контроля и управления поляризацией опорного и дублирующего квантовых импульсов вдоль двух осей;
      13       - поляризационный светоделитель (PBS - Polarizing Beam Splitter) для разделения опорного и дублирующего квантовых импульсов; по двум плечам интерферометра станции Боб;

8

Введение

      14       - вторая волоконно-оптическая линия задержки (FDL2) для совмещения по времени опорного и дублирующего квантовых импульсов;
      15       - второй вращатель плоскости поляризации на п/2 (PS2) для обеспечения равенства состояний поляризации опорного и дублирующего квантовых импульсов;
      16       - второй волоконно-оптический фазовый модулятор (PM2) для фазового кодирования состояния дублирующего квантового импульса;
      17        - третий контроллер поляризации (PC3 - Polarization Controller) для контроля и управления поляризацией дублирующего квантового импульса вдоль одной оси;
      18       - направленный волоконный ответвитель (НВО) Х-типа (DC -Directional Coupler) для интерференции опорного и дублирующего квантовых импульсов;
      19       - третья волоконно-оптическая линия задержки (FDL3) для обеспечения временной задержки бита «1» относительно бит «0»;
      20       - волоконно-оптический сумматор (OC) для объединения разнесённых по времени бит «1» и «0»;
      21       - регистратор ключа (KR - Key Recorder) для последовательного по времени обнаружения приёма бит «1» или «0»;
      22       - электронный блок стробирования для подавления импульсов темнового тока фотодетектора в регистраторе ключа.
      Принимается, что внутри оптического однофотонного передатчика на станции Алиса и оптического однофотонного приёмника на станции Боб применяется одномодовое оптическое волокно (ООВ), сохраняющее состояние поляризации (PMF).
      В структурной схеме системы КРК на рис. В.1 не показаны подсистема синхронизации и блок управления с модулем стробирования регистратора ключа, а также канал общего пользования для сравнения переданных и полученных квантовых состояний фотонов.
      Исходными данными для проектирования являются следующие параметры и характеристики:
     -  центральная длина волны излучения Aₛ=1550 нм;
     -       одномодовое оптическое волокно (SMF, ООВ), сохраняющее состояние поляризации (PMF), внутри оптического однофотонного передатчика на станции Алиса и оптического однофотонного приёмника на станции Боб;

9

Оптический передатчик станции Алиса

Однофотонный источник излучения (ОИИ)     
                       Регулируемый      
   Одномодовый          волоконно-       
  одночастотный         оптический       
      лазер             аттенюатор       
 4                        (FA) 5         
                                         

Второй контроллер поляризации
(РС2)12

Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС, TF)

2 Оптический однофотонный приёмник станции Боб

Рис. В.1 Структурная схема системы КРК

Введение