Книги, научные публикации
КВАНТОВАЯ КРИПТОГРАФИЯ: ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ Яшин К.Д., Баркалин В.В., Осипович В.С., Лисовец П.В., Апанасевич А.В., Навоша А.И.
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, Минск, Беларусь Квантовая криптография - процесс передачи сообщений, абсолютно защищённый от постороннего вмешательства. Основной задачей криптографии является обеспечение защиты сообщения, передаваемого от отправителя к получателю не по специальному закрытому, а по обычному открытому каналу связи. При этом речь идёт о гарантированной защите информации от несанкционированного её съёма противником. В основе квантовой криптографии лежит главный постулат, согласно которому, взаимодействие квантовой системы с измерительным прибором (приёмником сообщения) необратимым образом меняет первоначальное состояние этой системы, сформированной передатчиком. Таким образом, квантовая криптография имеет целью создание фундаментально защищенных от прослушивания каналов распространения криптографических ключей. В качестве ключа используются случайные последовательности нулей и единиц, полученных в результате измерений выбранной физической величины. Измеряемой физической величиной может выступать частота, поляризация, энергия фотона. Процесс выработки ключа основан на вероятностной природе результатов измерения в квантовой механике. А так как по результатам измерения невозможно восстановить волновую функцию системы, которой она описывалась до измерения, попытка вмешаться в процесс передачи информации будет детектирована.
Разработаем поэтапную схему процесса подготовки и передачи сообщения при помощи квантовой криптографии от момента формирования данного сообщения до момента получения его исполнителем-адресатом.
Генерация Формирование Кодирование квантовокриптографичес сообщения сообщения кого ключа Получение сообщения Передача сообщения Декодирование адресатом адресату Рисунок 1 Схема передвижения сообщения 1. Командир имеет необходимость отправить сообщение-приказ:
ВАШ ОБЪЕКТ 15 СРОК ВЫПОЛНЕНИЯ 3.
2. Видно, что даже на этой стадии сообщение является некоторой шифровкой, требующей специального анализа. Далее существуют два возможных варианта дальнейшего передвижения сообщения к адресату.
2.1. Первый вариант. Сообщение кодируется (шифруется) одним из способов классической криптографии. Скажем методом Пси. Следует заметить, что невзламываемых криптографических ключей не существует.
На декодирование сообщения требуется некоторое время;
все криптографические ключи нацелены на увеличение этого времени. После зашифровки классическим методом Пси получаем некоторое закодированное сообщение, некоторый ряд пятизначных цифр (табл.1), которые затем преобразовываются в машинный код: последовательность нулей и единиц.
Таблица 1 Результат кодирования сообщения методом Пси (набор пятизначных чисел) 57830 41852 57937 58126 95248 35698 89132 32842 65418 69872 38125 35978 21598 32894 35412 2.2. Второй вариант. Сообщение сразу преобразовывается в машинный код без предварительного шифрования классическими методами.
Таким образом, после пункта 2 получаем сообщение, преобразованное в нули и единицы, готовое к отправке.
3. Следующий шаг продвижения сообщения к адресату. Это генерация квантовокриптографического ключа. Последовательность операций генерации ключа выглядит следующим образом [1,2].
3.1. Пользователями канала заранее выбираются две фиксированные частоты 1 и 2, такие, что 1+2= 0. 1 приписывается логическое значение л1, 2 - логическое значение л0. В каждом измерении пользователи независимо друг от друга выбирают случайным образом либо один из узкополосных фотодетекторов, настроенных на измерение 1 или 2, либо широкополосный.
3.2. Проводится серия измерений по схеме совпадений событий у пользователей.
3.3. С помощью открытого канала пользователи отбрасывают измерения, в которых не было срабатывания детекторов хотя бы одного из них.
3.4 Сообщают друг другу по открытому каналу номера измерений, в которых использовались однотипные (широкополосный или узкополосный) фотодетекторы, но не сообщают, какой именно из узкополосных фотодетекторов использовался (для 1 или 2) 3.5 Так как были отброшены измерения, где не было срабатывания хотя бы одного из фотодетекторов, измерения, в которых применялись узкополосные фотодетекторы, оказываются полностью коррелированны - если один из пользователей в результате измерения обнаружил фотон с энергией Ю1, то он может быть уверен, что другой пользователь в эксперименте с тем же по счёту номером обнаружил фотон с энергией Ю2.
После обращения полученной логической последовательности одним из пользователей они у обоих совпадут. Эти последовательности - ключ.
1 - камера-шлюз;
2 - загрузочная камера;
3 - система откачки;
4 - оже спектрометр;
5 - смотровое окно;
6 - электронная пушка;
7 - ионная пушка для очистки поверхности перед осаждением эпитаксиального слоя;
8 - подложкодержатель п/п пластин;
9 - полупроводниковые пластины для формирования ГЭС (гетероэпитаксиальной структуры);
10 - блок испарения;
11 - тигель с осаждаемым веществом;
12 - система нагрева тиглей.
Рисунок 2 Схема установки МЛЭ В данном случае приведена последовательность генерации кода, применимая при использовании двух узкополосных источников единичных фотонов, способных излучать фотоны с близкими энергиями E1 (h1) и E (h2) с частотами, отличающимися на величину порядка 1 - 2 =105 Гц. Для чего можно использовать квантовые точки, в которых время жизни электрона на возбуждённом квантоворазмерном уровне составляет величину порядка 10-9с. Источники единичных фотонов получают методами МЛЭ (молекулярно-лучевой эпитаксии). Типовая установка МЛЭ отражена на рисунке 2 [3].
4. Передача информации (сообщения) единичными фотонами по беспроводному либо оптоволоконному каналу с использованием ключа, полученного в пункте 3.
5. Фотодетектирование - приём фотонов, прошедших через используемый канал связи. В результате данного процесса получаем ряд из нулей и единиц, который готов к декодированию.
6. Расшифровка (декодирование) полученного сообщения (приказа):
ряда чисел, приведенного в таблице 1.
Литература 1. V.Barkalin, Quantum fiber-optical networksТ modelling and design.- In LSSТ98 IFAC/IFORS/IMACS/IFIP Symp. on Lage Scale Systems: Theory and Application, July 15-17, 1998, Patras, Greese//Proceedings, p. 189-294.
2. С.Н.Молотков, С.С.Назин, ЖЭТФ, 11, 882 (1996).
3. Ключников В.П., Яшин К.Д., Проблемы и перспективы разработки полупроводниковых гетероэпитаксиальных структур для электронной техники.// журнал Техника средств связи, серия Технология, производство, оборудование, вып. 2, 1990.