Регистрация / Вход
Прислать материал

14.582.21.0009

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.582.21.0009
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
Общество с ограниченной ответственностью "Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий"
Название доклада
Создание опытного образца квантового устройства безопасной передачи данных
Докладчик
Курочкин Юрий Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Взрывное распространение информационных технологий в современном обществе привело к резкому росту спроса на системы защиты от взлома и прослушивания, поскольку все больше и больше конфиденциальных данных передается по электронным сетям. При этом следует учитывать возможность «взлома» зашифрованных сообщений не только непосредственно после их перехвата, но и позже, по мере появления новых методов дешифровки.
Абсолютную защиту от дешифровки не может дать ни один из известных способов криптографии, в которых используются математические алгоритмы. Один из наиболее перспективных методов защиты информации – квантовая криптография, в основе которой лежат фундаментальные законы физики. Квантовые каналы связи полностью исключают возможность незаметного
прослушивания, поэтому их нельзя «взломать» даже при резком скачке вычислительных мощностей (в том числе, при появлении принципиально новых методов вычислений, например, квантовых компьютеров).
Проект направлен на разработку отечественной установки квантовой криптографии, которую можно интегрировать в уже существующую телекоммуникационную инфраструктуру с использованием уже проложенных оптоволоконных линий. Форм-фактор разрабатываемого устройства будет такой, что устройство можно будет помещать в стандартные телекоммуникационные рековые стойки.
Актуальность и новизна исследования
На сегодняшний день в мире существует несколько компаний, которые предлагают готовые решения для квантовой защиты информации. Основными потребителями этих продуктов являются финансовые и государственные организации. Для банков, для биржевых и трейдерских компаний «взлом» напрямую связан с риском крупных финансовых потерь. Они крайне заинтересованы в том, чтобы защита информации при передаче была абсолютной и не было даже теоретической возможности взлома.
Ожидается, что потребность в сетях квантовой криптографии возникнет и в госструктурах Российской Федерации. Использование оборудования иностранных производителей при этом скорее всего будет ограничено по соображениям безопасности, а среди отечественных производителей такого оборудования наибольшее конкурентное преимущество получит компания, имеющая функционирующий прототип.
Описание исследования

Безусловная степень защиты информации методом квантовой криптографии основывается на фундаментальных законах квантовой физики, которые накладывают на любой измерительный прибор два принципиальных запрета: – (1) Запрет на возможность получить информацию о неортогональных квантовых состояниях без их возмущения и (2) запрет на возможность достоверно скопировать заранее неизвестное квантовое состояние (так называемая «теорема о невозможности квантового клонирования»). Следствием этих ограничений является то, что если в качестве носителей информации использовать одиночные квантовые объекты (например, одиночные фотоны), то любая попытка вторжения несанкционированным лицом в процесс передачи неизбежно приведет к необратимому изменению квантовых состояний объектов, по которым факт вторжения может быть выявлен.

Ч. Беннет и Ж. Брассард в 1984 году первыми обосновали принципы квантовой криптографии и предложили протокол для реализации квантового распределения ключа – секретной последовательности нулей и единиц. Этот протокол известен в научном сообществе под
называнием «ВВ84». В нем ключ передается с помощью квантовых измерений над одиночными фотонами, поляризованных в двух не ортогональных базисах. Помимо поляризации возможно использовать другие параметры состояний света, например, нашла широкое применение реализация протокола BB84 в оптоволоконных системах с использованием фазового кодировании фотонов с использованием интерферометров Маха-Цандера.

Еще в 2009 году командой разработчиков создан один из первых в России действующий образец квантовой криптографии в рамках научной работы. На образце отработаны все этапы получения квантового ключа, тем не менее в части электроники решения, заложенные в этот образец ограничены по скорости генерации ключа, что требует разработки новой электроники высококвалифицированной командой, что и делается в рамках данной разработки. 

В процессе выполнения проекта разрабатывается высокоскоростная электронная плата, которая позволит генерировать квантовый ключ со скоростью более 10 кбит/с и передавать его на внутригородских линиях длиной 25-100 км. Исходя из опыта компании ID Quantique, являющейся наиболее успешной на мировом рынке квантовой криптографии, этих параметров достаточно для передачи потока информации на скорости 10-100 Гбит/сек. с использованием гибридного способа, при котором квантовая криптография используется для получения закрытого ключа для стандартного «классического» алгоритма шифрации RSA. В нашем проекте планируется создание установки, гибридной со стандартом шифрования ГОСТ 28147-89.

Отсутствие критериев сертификации, которые пока не предложены официальными органами ни в России ни за рубежом, привело к возникновению ситуации, когда единственным практическим критерием надежности решений в области квантовой криптографии является признание научным сообществом. В данном проекте планируется использовать протокол decoy state BB84, который рассмотрен, доказан и признан надежным лучшими теоретиками в области квантовой криптографии. Также будет использоваться оптическая схема “plug&play”, которая хорошо изучена и признана в мировом научном сообществе.

При выходе на рынок особенно важен вопрос стоимости. Одной из основных причин высокой стоимости устройств квантовой криптографии является дороговизна детекторов одиночных фотонов, которых требуется как минимум два на установку. Подобный детектор компании ID Quantique стоит от 20 000 EUR. Сверхпроводящие детекторы в комплекте с криогенной установкой, стоят порядка 100 000 EUR и требуют квалифицированного персонала для их эксплуатации. Авторы проекта имеют большой опыт изготовления и практического использования детекторов одиночных фотонов. Разрабатываемые авторами проекта детекторы одиночных фотонов могут быть самостоятельным успешным продуктом. Использование собственных детекторов одиночных фотонов позволит существенно
снизить стоимость всего решения для квантовой криптографии. В сравнении с лидером рынка, ID Quantique, наши издержки в России ниже Швейцарских.

Результаты исследования

Разработан эскизный проект квантового устройства, включающий в себя большую часть наработок по оптической схеме устройства, электронным платам и программному обеспечению. На рисунке ниже показана блок-схема устройства квантовой криптографии, состоящего из двух блоков - передатчика (Алиса) и приемника (Боб).

Структурная схема устройства квантовой криптографии. C – циркулятор, ДОФ 1 и ДОФ 2 – детекторы одиночных фотонов, PM – фазовые модуляторы, DL – линия задержки, BS – светоделитель, PBS – поляризационный светоделитель, PD – фотодетекторы, VOA – электрооптический аттенюатор, AM – амплитудный модулятор, SL – линия хранения, FM – зеркало Фарадея, ПК (персональный компьютер) – блок сопряжения.

На данном этапе выполнения работ по проекту были получены следующие результаты:

  • Рассмотрена задача квантовой криптографии применительно к конкретной реализации устройства распределения квантового ключа. Учтена возможность атаки ослеплением. Разобраны теоретические аспекты генерации истинно случайных чисел, создан прототип генератора истинно случайных чисел.
  • Разработана система оптических и электрооптических компонентов устройства. Разработаны методики борьбы с потерями в оптической линии. Успешно решены вопросы стабильной работы лазерных модулей. Найдено решение задачи синхронизации оптических и электрических импульсов.
  • Начата проработка спецификации материнской платы блоков управления интерферометрами Алисы и Боба. Сделано описание компонентного состава, описание взаимосвязей и интерфейсов.
  • Продолжается работа по программированию блоков управления интерферометрами Алисы и Боба, изготавливаемых в настоящий момент на основе наборов разработчика с FPGA Virtex-7. 
  • В рамках макетирования блоков управления интерферометрами была решена задача по созданию драйвера лазерного модуля, при этом было перепробовано три варианта схемотехнического решения. Разработан драйвер фазового модулятора (2 варианта), разработана и запрограммирована мезонинная FPGA плата задержки электрических импульсов, разработан синхронизирующий детектор на pin-фотодиоде, разработан коммутационный вариант материнской платы БУ интерферометрами.
  • Для проведения испытательных работ с использованием разработанных оптических и электрических схем было написано программное обеспечение. Данное программное обеспечение легло в основу разработки технического проекта ПО макетов блоков управления интерферометрами Алисы и Боба.
  • На основе технических решений, полученных в результате выполнения вышеперечисленных работ, был создан упрощенный рабочий прототип устройства квантовой криптографии, послуживший для разработки программы и методик исследовательских испытаний БУ интерферометрами. С использованием данного прототипа была успешно продемонстрирована квантовая криптография на протяженных городских сетях общего пользования (30 км) между офисами Газпромбанка.

Практическая значимость исследования
Рынки классической криптографии являются достаточно устоявшимися. Общий мировой объем составляет порядка 15 млрд USD. Отсутствие значительного роста связано с тем, что для большинства задач надежности кодирования классической криптографии вполне достаточно. Тем не менее, особняком стоит высоконадежное кодирование, для которого существующих кодов может оказаться недостаточно в следующих случаях:
1. Случаи, когда перехват информации может привести к серьезным государственным потерям, например в боевых условиях, передаче сообщений государственной важности («кибер-война» и «кибер-терроризм»).
2. Случаи, когда переданные данные должны оставаться секретными на протяжении 10-20 лет и не могли быть вскрыты при росте вычислительных мощностей, как это случилось со стандартом DES.
3. Когда перехват может привести к крупным финансовым потерям (доступ к биржевым операциям).
Согласно исследованию, представленному на сайте http://companiesandmarkets.com, рынок квантовой криптографии будет составлять 1 миллиард долларов США к 2018 году. В анализе рынка квантовой криптографии, который был сделан Institute for Quantum Computing, рынок квантовой криптографии будет иметь экспоненциальный рост и к 2023 достигнет 5 миллиардов долларов, а к 2029 - уже 20 миллиардов.
Постер

Kurochkin5.ppt