Квантовые технологии в телекоммуникационных системах

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

Федеральное государственное автономное образовательное  

учреждение высшего образования 

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

Инженерно-технологическая академия 

 
 
 
 

К. Е. РУМЯНЦЕВ 

 
 

КВАНТОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ  

В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ 

 
 

Учебник 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ростов-на-Дону − Таганрог 

Издательство Южного федерального университета 

2021 

 
 

УДК 621.391.63:004.056.52 
ББК 32.86-5 
        Р865 

Печатается по решению кафедры информационной безопасности  

телекоммуникационных систем Института компьютерных технологий  
и информационной безопасности Южного федерального университета  

(протокол № 18 от 22 апреля 2021 г.) 

Рецензенты: 

заведующий кафедрой «Информационная безопасность» Ордена Трудового 

Красного Знамени федерального государственного бюджетного  

образовательного учреждения высшего образования «Московский технический 
университет связи и информатики (МТУСИ)», заслуженный деятель науки РФ, 

доктор технических наук, профессор О. И. Шелухин 

профессор кафедры «Управление и интеллектуальные технологии»  

Федерального государственного образовательного учреждения высшего  
образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»,  

доктор технических наук, профессор Г. Ф. Филаретов 

Румянцев, К. Е. 

Р865        Квантовые технологии в телекоммуникационных системах : учеб
ник / К. Е. Румянцев ; Южный федеральный университет.  Ростовна-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2021.  346 с. 

ISBN 978-5-9275-3857-7 
Изложены тенденции развития квантовых коммуникаций, вероятностные за
кономерности и основные понятия квантовой физики, раскрыты принципы квантовой криптографии, описаны направления развития и протоколы, типовые 
структуры и элементная база систем квантового распределения ключа и распределённых защищённых сетей на их основе. Освещены особенности функционирования систем квантового распределения ключа в условиях возможного несанкционированного доступа. Материал является основой для прослеживания технического уровня и тенденций развития систем квантового распределения ключа. 

Учебник предназначается для студентов, обучающихся по специальности 

10.05.02 Информационная безопасность телекоммуникационных систем.  

УДК 621.391.63:004.056.52 

ББК 32.86-5 

ISBN 978-5-9275-3857-7 

 Южный федеральный университет, 2021 
 Румянцев К. Е., 2021 
 Оформление. Макет. Издательство  

Южного федерального университета, 2021

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Учебник содержит систематическое изложение дисциплины «Кван
товые технологии в телекоммуникационных системах». Учебник написан  
в соответствии с требованиями образовательного стандарта высшего  
образования Южного федерального университета по специальности 
10.05.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», 
утверждённого 
приказом 
Южного 
федерального 
университета 
от 

17.03.2020 г. № 57-ОД (с изменениями и дополнениями, утверждёнными 
приказом ЮФУ № 60-ОД от 02.04.2021). 

Целью освоения дисциплины является обеспечение информационной 

безопасности телекоммуникационных систем и сетей (ТКСиС) для передачи информации посредством внедрения принципов квантовой криптографии и протоколов квантового распределения ключа (КРК).  

В результате освоения дисциплины обучающийся должен: 
а) знать и понимать основные понятия квантовой физики, принципы 

квантовой криптографии, направления развития и протоколы КРК для защиты информации в ТКСиС, базисы приготовления/измерения фотонов, 
этапы формирования ключевых последовательностей, типовые структуры и 
элементную базу систем КРК;  

б) оценивать применимость модулей для систем квантовой крипто
графии на новых устройствах, применять математические методы в решении практических задач; 

в) владеть приёмами измерения параметров системы КРК; 
г) уметь анализировать текущее состояние и тенденции развития 

ТКСиС с квантовым распределением ключа. 

Дисциплина предназначена для формирования способности оцени
вать и использовать средства криптографической и технической защиты 
информации, сетей и систем передачи информации при решении задач 
профессиональной деятельности. 

В учебнике изложен материал, посвящённый представлению в сжа
том виде тенденций развития квантовых коммуникаций, вероятностных закономерностей и основных понятий квантовой физики, раскрытию принципов квантовой криптографии, описанию направления развития и протоколов, типовых структур и элементной базы систем КРК. 

Предисловие 

4 

Квантовые каналы связи и квантовая криптография требуют для сво
его описания адекватного языка квантовой механики и квантовой теории 
поля, предполагая объединение достижений из таких областей науки и техники, как радиофизика, электроника, квантовая оптика, квантовая механика 
и лазерная физика и т. п. (рис. П.1).  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. П.1. Взаимосвязь квантовых методов в информатике с фундаментальными  

проблемами математики, физики, информатики и технологии 1 

 

1 Теория сложности вычислений − подраздел теоретической информатики, 

занимающейся исследованием сложности алгоритмов для решения задач на основе 
формально определённых моделей вычислительных устройств. 

Пространство состояний Гильберта − представление множества состояний 

физической системы  

Машина Тьюринга − 
абстрактная вычислительная машина, способная 

имитировать всех исполнителей (с помощью задания правил перехода), реализующих 
процесс пошагового вычисления, где каждый шаг вычисления достаточно элементарен.  

 

Уравнения 
Шрёдингера

Квантовые 
алгоритмы

Теория сложности

алгоритмов

Пространство

состояний Гильберта
Машина Тьюринга

Теория информации
Квантовая физика

Квантовая 

криптография

Декогеренция

состояний

Управление 
эволюцией 

кубитов

Квантовая

коррекция ошибок

Принцип 

дополнительности

Коллапс

волновой функции

Измерения в 

квантовой 
механике

Плотное квантовое 

кодирование

Квантовое

распределение 

ключа

Квантовая 

телепортация

Математика

Принцип 

локальности

Предисловие 

5 

Прогресс в области квантовой криптографии возможен только при 

подготовке специалистов, владеющих фундаментальными положениями 
квантовой физики и основами криптографии, знающих принципы и протоколы квантовой криптографии, имеющих представление о структуре существующих коммерческих и опытных систем и сетей связи на технологиях 
квантовой криптографии. 

Анализ тенденции развития квантовых коммуникаций в первой части 

учебника раскрывает предпосылки внедрения квантовых технологий в телекоммуникации и текущий уровень развития квантовых коммуникаций. 
Подчёркивается актуальность синтеза криптографических алгоритмов и 
протоколов, стойких уже к возможностям квантовых компьютеров. 

Для подготовки специалистов в области квантовой коммуникации во 

втором модуле учебника будут изложены основы квантовой физики, включая освещение вероятностных закономерностей, основных понятий и 
принципов квантовой физики, раскрытие сущности однокубитных преобразований и формулирование принципов квантовой телепортации. 

Ко второй части следует обращаться как к справочному материалу в 

процессе изучения последующих частей учебника. 

 

Квантовый алгоритм − алгоритм, предназначенный для выполнения на 

квантовом компьютере. 

Декогеренция − процесс нарушения когерентности из-за взаимодействия 

квантовомеханической системы с окружающей средой. При декогеренции у системы 
появляются классические черты, которые соответствуют информации, имеющейся в 
окружающей среде. 

Коллапс волновой функции − независимо мыслящий алгоритм, не требующий 

практически никакой помощи или инструкций извне.  

Принцип 
дополнительности 
требует 
для 
полного 
описания 

квантовомеханических 
явлений 
применять 
два 
взаимоисключающих 

(«дополнительных») набора классических понятий. 

Принцип локальности в физике утверждает, что на объект влияет только его 

непосредственное окружение. 

Плотное квантовое кодирование − техника на основе квантовой сцепленности, 

используемая в квантовой теории информации и позволяющая передавать два бита 
классической информации, используя только один кубит.  

Квантовая коррекция ошибок − защита квантовой информации от ошибок за 

счёт декогеренции и квантовых шумов.  

Измерение в квантовой механике − концепция, описывающая возможность 

получения информации о состоянии квантовомеханической системы путём проведения 
физического эксперимента. 

Предисловие 

6 

В третьей части учебника изложены основные направления развития 

квантовой криптографии и протоколы двухуровневой квантовой системы. 
Раскрыта инфраструктура информационной безопасности при квантовом 
распределении ключа. Подробно освещены особенности протоколов ВВ84 
и В92 квантовой системы с поляризационным, фазовым и временным кодированием состояний фотонов. Обсуждаются типовые структуры систем 
квантового распределения ключа. 

В четвёртой части учебника анализируется элементная база волокон
но-оптических, атмосферных и спутниковых систем квантовой коммуникации. Особое внимание уделено однофотонным источникам излучения и однофотонным приёмным оптическим модулям. Раскрываются схемотехнические особенности оптоэлектронных и оптических элементов.  

Этапы формирования ключевой последовательности, используя 

обобщённую структуру коммерческих системы КРК с фазовым кодированием состояний фотона, раскрываются в пятой части учебника. Здесь же 
даётся методика оценки скорости формирования ключевой последовательности бит на физическом и логическом уровнях. 

В последних двух частях учебника кратко раскрыты особенности 

распределения ключа в сетях на технологиях квантовой коммуникации и 
функционирования протоколов квантовой криптографии при несанкционированном доступе (НСД) к квантовому каналу. Раскрывается роль процесса 
синхронизации в защите систем КРК от атак злоумышленника. 

Цель учебника состоит в формировании знаний для обеспечения 

информационной безопасности телекоммуникационных систем и сетей посредством внедрения квантовых технологий. 

При написании учебника использованы материалы проекта SECOQC 

(Development of a Global Network for Secure Communication based on 
Quantum 
Cryptography), 
публикации 
ETSI 
QKD 
ISG 
(European 

Telecommunications Standards Institute Quantum Key Distribution Industry 
Specification Group), публикации сотрудников Института физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, Института физики твёрдого тела Российской академии наук, Московского государственного университета, публикации Centre for Quantum Technologies National 
University of Singapore, а также публикации сотрудников и аспирантов кафедры информационной безопасности телекоммуникационных систем 
ЮФУ. 

Предисловие 

7 

В учебник вошли результаты исследований по государственному 

контракту П1043 «Методика оценки эффективности систем квантового 
распределения ключей с фазовым кодированием состояний фотонов на основе статистического моделирования и результатов натурных испытаний 
системы MagiQ QPN 5505» (шифр «НК-289П») по направлению «Обработка, хранение, передача и защита информации» в рамках мероприятия  
1.3.2 «Проведение научных исследований целевыми аспирантами» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 гг.  

Автор выражает благодарность ведущим сотрудникам Dr. Anton 

Zavriyev и Dr. Berzanskis Audrius компании MagiQ Technologies (США) за 
предоставленную возможность детального изучения архитектуры, особенностей функционирования и технических решений систем КРК.  

Автор признателен фирме id Quantique (Швейцария) за организацию 

второй зимней школы по практической квантовой криптографии и за проведение двух семинаров по проблемам однофотонного детектирования и 
экспериментального распределения квантового ключа.  

Лекции, 
прочитанные 
профессором 
Женевского 
университета 

(University of Geneva) доктором Николас Жизэн (Nicolas Gisin), профессором руководителем группы квантовой информатики Швейцарского федерального технологического института г. Цюрих (Swiss Federal Institute of 
Technology, Zürich) доктором Рене Ренато (Renner Renato), научным сотрудником компании id Quantique доктором Матьё Легрэ (Matthieu Legré), 
членом Quantum Hacking group Норвежского университета науки и технологий (Norwegian University of Science and Technology) доктором Вадимом 
Макаровым (Vadim Makarov) и исполнительным директором компании  
id Quantique доктором Грегуар Риборди (Grégoire Ribordy), позволили 
обеспечить дидактический подход к изложению материала и включить в 
каждую главу учебника полезные примеры и пояснения. 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ТЕРМИНОВ НА АНГЛИЙСКОМ ЯЗЫКЕ 

AES
– Advanced Encryption System, 

криптосистема с асимметричным шифром 

APD
– Avalanche PhotoDiode, лавинный фотодиод

BER
– bit error rate, 

частота или коэффициент появления ошибочных битов 

DES
– Data Encryption Standard, 

стандарт шифрования документов (США)

DFB
– Distributed FeedBack, распределённая обратная связь

DPSK
Differential-Phase-Shift-Keying,
дифференциальная фазовая манипуляция

DRM
– Digital Rights Management, цифровое управление правами

EML
– Electroabsorptive Modulated Laser, электроабсорбционный моду
лированный лазер

EPR
– Einstein – Podolsky – Rosen, Эйнштейн – Подольский – Розен 

(парадокс)

ESA
– European Space Agency, Европейское космическое агентство

F
– neutral density filter, нейтральный светофильтр

FP
– Fabry-Perot, Фабри-Перо

FSO
– Free-Space Optical, оптическое свободное пространство

FWHM
– Full Width at Half Maximum, 

полная ширина на уровне половинной амплитуды 

GAP
– Group of Applied Physics, группа по практической физике

GEO
– Geosynchronous-Earth Orbit, геосинхронная (геостационарная) 

околоземная орбита

GHZ
– буквенная аббревиатура от фамилий Greenberger – Horne –

Zeilinger (states), Гринбергер – Хорн – Цайлингер (состояния)

GMCS
– Gaussian-modulated Coherent State, 

когерентное состояние с модулированием Гаусса 

GPS
– Global-Positioning System, глобальная навигационная система

GVD
– Group-Velocity Dispersion, дисперсия групповой скорости

HWP
– Half Wave-Plate, полуволновая пластина

IDEA
– International Data Encryption Standard,

международная система кодирования данных

IoT
– Internet of Things, интернет вещей

Список сокращений терминов на английском языке 

9 

ISS
– International Space Station, международная космическая станция

LD
– Laser Diode, лазерный диод

LEAF
– fiber, оптическое волокно

LEO
– Low-Earth Orbit, низкая околоземная орбита 

M2M
– Machine-to-Machine, взаимодействие между машинами

MAC
– Message Authentication Code, код аудентификации сообщения

NCPM
– Non-Critical Phase Matching, 

некритическое фазовое соответствие 

NFC
– Near Field Communication, 

беспроводная передача данных с малым радиусом действия

NVC
– nitrogen vacancy-center, азотный центр замещения 

PBS
– Polarizing Beam Splitter (polarizing beamsplitter),

поляризационный светоделитель

PMD
– Polarization Mode Dispersion, 

поляризационная модовая дисперсия (ПМД)

PMF
– Polarization Maintaining Fibre, одномодовое оптическое волокно, 

сохраняющее состояние поляризации

PnP
– Plug-and-Play, подключай и работай (система)

PNS
– Photon Number Splitting (attack), съём части фотонов (атака)

QBER
– Quantum Bit Error Rate, 

частота появления ошибочных бит квантового ключа

QC
– Quantum Cryptography, квантовая криптография

QIP
– Quantum Information Processing, квантовая обработка информа
ции

QIPC
– Quantum Information Processing and Communication, 

квантовая обработка и коммуникация информации

QIS
– Quantum Information Science, квантовая информатика

QKD
– Quantum Key Distribution, квантовое распределение ключа 

(КРК)

QKE
– Quantum Key Exchange, квантовый обмен ключом

QRNG
– Quantum Random Number Generator, 

квантовый генератор случайных чисел

QUEST – Quantum Entanglement for Space Experiments, 

квантовое перепутывание в космических экспериментах 

RIN
– Relative Intensity Noise, относительная интенсивность шумов 

Список сокращений терминов на английском языке 

10 

RSA
– буквенная аббревиатура от фамилий Rivest – Shamir – Adleman, 

Ривест – Шамир – Адэльман (алгоритм)

SARG
– буквенная аббревиатура от фамилий Scarani V. – Acin A. –

Ribordy G. – Gisin N. (протокол)

SIM
– Subscriber Identity Module, модуль идентификации абонента

SM
– SingleMode (fiber), одномодовое (волокно)

SPAD
– Single-Photon Avalanche Photodiode, 

однофотонный лавинный фотодиод

SPD
– Single-Photon Detector, однофотонный детектор

SPDM
– Single Photon Detection Module, 

модуль однофотонного фотодетектирования

SPM
– Self-Phase Modulation, фазовая автомодуляция (самомодуляция)

TTL
– Transistor-Transistor Logic, транзисторно-транзисторная логика

uSD
– мультивалютная дебетовая SIM-карта

uSIM
– специальная расширенная SIM-карта 

VCSEL – Vertical-cavity surface-emitting laser, 

поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором

VPN
– Virtual Private Network, виртуальная конфиденциальная сеть

WCP
– Weak Coherent Pulse, слабый когерентный импульс

WDM
– Wavelength Division Multiplexing, мультиплексирование по 

длине волны или волновое мультиплексирование