Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание опытного образца квантового устройства безопасной передачи данных

Номер контракта: 14.582.21.0009

Руководитель: Курочкин Юрий Владимирович

Должность руководителя:

Докладчик: Курочкин Юрий Владимирович, Руководитель группы квантовых коммуникаций

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
квантовая криптография, распределение квантового ключа, квантовые коммуникации, оптоволоконные линии связи, безопасная передача данных, волоконная оптика, фотоника, квантовая оптика, детекторы одиночных фотонов, квантовые сети, защита данных в информационных системах.

Цель проекта:
Целью ПНИЭР является создание опытного образца квантового устройства безопасной передачи данных. Так же целью настоящих ПНИЭР, реализуемых в рамках комплексного проекта, является обеспечение индустриального партнера новым оборудованием передачи ключей, позволяющим обеспечить более высокий уровень конфиденциальности передачи данных. Новое оборудование позволит обеспечить долгосрочную конфиденциальность переданных данных при условии роста вычислительных мощностей в будущем. В результате проекта в Российской Федерации должно появиться собственное оборудование на основе квантового распределения ключа. Достижение вышеуказанных целей обеспечивается с использованием результатов прикладных научных исследований, выполняемых в период 2015-2016 годов по темам: ПНИ-1 «Разработка полупроводниковых детекторов одиночных фотонов для длины волны оптоволоконного стандарта связи» (Шифр: 2015-14-579-0148); ПНИ-2 «Разработка алгоритмов по обработке квантового ключа» (Шифр: 2015-14-579-0149); ПНИ-3 «Разработка устройства сопряжения существующих линий связи с системами квантового распределения ключа» (Шифр: 2015-14-579-0150).

Основные планируемые результаты проекта:
1. Опытный образец квантового устройства безопасной передачи данных, состоящий из:
- блока передачи квантового устройства безопасной передачи данных (ПРД);
- блока приема квантового устройства безопасной передачи данных (ПРМ).
2. Программа и методика испытаний квантового устройства безопасной передачи данных,
апробированные на приемочных испытаниях опытных образцов ПРД и ПРМ на реальной
физической линии заказчика.
3. Комплекты технической (программной, конструкторской, технологической) документации с
литерой О1 на блок передачи квантового устройства безопасной передачи данных (ПРД) и блок
приема квантового устройства безопасной передачи данных (ПРМ), обеспечивающие скорость
генерации ключа не менее 10 Кбит/с на расстоянии 25 км.
4. Комплекты программной документации на ПО ПЛИС блока управления интерферометром
квантового устройства безопасной передачи данных (ПРД) и блок приема квантового устройства
безопасной передачи данных (ПРМ).
5. Отчеты о патентных исследованиях в области ПНИЭР.
6. Свидетельства о регистрации прав на интеллектуальную собственность на программное
обеспечение и устройство.
7. Отчет о ПНИЭР, включающий: (a) аналитический обзор современной научно-технической,
нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему,
исследуемую в рамках ПНИЭР; (b) сравнительную оценку эффективности возможных
направлений исследований и обоснования выбранного направления; (c) оценку полноты решения
задач и достижения поставленных целей ПНИЭР.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Основной результат ПНИЭР – достижение РФ уровня ведущих разработок по созданию телекоммуникационного оборудования нового поколения на основе квантового распределения ключа
Будет создано отечественное устройство квантового распределения ключа, состоящее из приемника и передатчика, стабильно работающих в существующих линиях связи (стандартное одномодовое оптоволокно 1550 нм).
Будет произведен поиск путей улучшения параметров предельной дальности и скорости передачи квантового ключа, а также решений, позволяющих обеспечить надежность работы образца в существующих линиях связи. Переданный квантовый ключ будет использоваться для кодирования данных.
В результате будет создан образец устройства квантового распределения ключа, где новые технические решения обеспечат параметры работы выше зарубежных коммерческих образцов на данный момент и на уровне ожидаемых коммерческих продуктов конкурентов в 2018 году.

Основные параметры - скорость и предельная дальность распределения квантового ключа - зависят от протокола квантовой криптографии и способа его реализации. Первый протокол ВВ84 нашел широкое применение в оптоволоконных системах с использованием поляризационного
метода кодировании фотонов и фазового с применением нескомпенсированных интерферометров Маха-Цандера. Источник истинно одиночных фотонов на практике реализовать очень сложно, поэтому вместо одиночных фотонов используются сильно ослабленные лазерные импульсы со
средним числом фотонов менее единицы. Для того, чтобы часть импульсов с более, чем одним фотоном не угрожала секретности протокола был предложен протокол “decoy state”. Именно развитие новых протоколов позволило получить рекордные дальности передачи ключа. В проекте
будет проведен анализ существующих протоколов квантовой криптографии с точки получения максимальной скорости генерации квантового ключа и дальности передачи.

Для преодоления ограничений по пропускной способности существующих квантовых протоколов предполагается экспериментально внедрить наш новый авторский протокол с плавающими базисами, основанный на максимально полном использовании потенциала теоремы о не
клонировании (V. Kurochkin, Y. Kurochkin. Physics of Particles and Nuclei Letters, 2009,V.6, N 7, pp. 1-3.). Этот протокол обладает потенциально самой большой скоростью генерации квантового ключа из всех предложенных на данный момент времени. В этом протоколе решены следующие проблемы:
1) Увеличивается секретность передачи, количество ошибок при попытки перехвата и воспроизведения ключа равно 50% (против 25% для протокола ВВ84);
2) Решена проблема понижения скорости генерации ключа при увеличении количества базисов. В этом протоколе скорость в два раза выше, чем в случае двух базисов для ВВ84;
3) Количество базисов для достаточно длинной передачи стремится к бесконечности, и, как следствие, информация, получаемая перехватчиком, стремится к нулю.
Внедрение этого протокола с комбинацией методов “decoy state” в разрабатываемое квантовое устройство безопасной передачи данных сразу делает разработку уникальной, не имеющей аналогов в мире. Дает потенциальные преимущества по скорости и дальности связи перед всеми
известными зарубежными аналогами. Кроме физических особенностей методов кодирования одиночных фотонов следует принимать во
внимание конкретные способы реализации. В частности, в 2014 году нами в впервые в мире было продемонстрирована возможность распределения квантового ключа по оптоволокну на расстояния свыше 300 км на основе поляризационного кодирования (R. Ozhegov, M. Elezov, Y. Kurochkin et al. Quantum key distribution over 300km. Proc. of SPIE Vol. 9440 94401F-1). Это первый и пока единственный российский мировой рекорд в этой области. Предстоит сделать анализ и провести предварительные эксперименты для окончательного выбора.

В проекте заложен ряд перспективных авторских разработок, которые позволят внедрять передовые идеи и методы. Так, например, электронные схемы управления позволят использовать различные способы кодирования квантовых состояний фотонов при внесении минимальных изменений в периферийных блоках. Такая гибкость позволит данной разработке оставаться конкурентоспособной в условиях стремительно развития методов в квантовой криптографии.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Квантовое распределение ключа – технология, гарантирующая на уровне фундаментальных законов физики невозможности прочтения передаваемого сообщения сторонним лицом. В связи с ростом роли информационной безопасности в экономике востребованность квантовой криптографии растет.
Данная технология востребована в Российском банковском секторе. В 2016-2018гг. в США и Китае будут созданы национальные сети передачи данных, защищенных квантовой криптографией, вт.ч. для специальных приложений. Ожидается потребность строительства в России протяженных государственных сетей, защищенных технологией квантовой криптографии. Полный цикл разработки, испытаний и освоения техники потребителем по опыту зарубежных коллег требует не менее пяти лет, поэтому создание опытного образца должно вестись уже сейчас. Создание сетей на основе квантового распределения ключа является важнейшим вызовом России в плане технологий безопасной передачи данных.
В анализе рынка квантовой криптографии, который был сделан Institute for Quantum Computing, мировой рынок квантовой криптографии будет иметь экспоненциальный рост и к 2023 достигнет 5 миллиардов долларов, а к 2029 - уже 20 миллиардов.

Текущие результаты проекта:
Первый этап ПНИЭР подготовительный, на этом этапе выполняется макетирование.
ПНИЭР: Разработаны и испытаны макеты интерферометров передатчика и приемника (Отчет – ЭКД, методики испытаний и результаты испытаний).
ПНИ-1: Разработан макет детектора одиночных фотонов (Отчет – ЭКД, методики испытаний и результаты испытаний).
ПНИ-2: Разработаны первые версии алгоритмов (Описание алгоритмов).
ПНИ-3: Разработаны эскизные и технические проекты ПО Блока, Разработаны проекты протоколов информационно-электрического взаимодействия (документация проектов).