Системы для квантово-оптических криптографических коммуникаций

Компания «Специальные Системы. Фотоника» является специализированным поставщиком и интегратором комплектующих элементов и оборудования для разработок и построения систем связи с квантовой генерацией ключа.

Мы всегда рады проконсультировать наших заказчиков и предоставить техническую поддержку. Обращаем Ваше внимание на то, что на базе нашей компании открыт сервисный центр по обслуживанию оборудования, проводятся тренинги и семинары.

Краткое описание технологии

Около декады назад широкое распространение получила новая технология, ставшая известной под названием "квантовая криптография" (КК). Сразу стоит отметить, что это не криптографическая технология. В её основе лежит использование принципов квантовой физики для обмена ключом между стороной, отправляющей сообщение (Алисой) и стороной, принимающей его (Бобом). Этот ключ, в свою очередь, используется для шифрования передаваемых по открытому каналу данных.

Таким образом, технология лучше описывается формулировкой "квантового распределения ключей" или общепринятой аббревиатурой QKD (quantum key distribution). QKD использует одиночные фотоны для обмена отдельными битами ключа. Существует несколько методов передачи информации фотонами и способов установки безопасного ключа. Все эти методы основаны на одном принципе квантовой физики:

• для того, чтобы получить информацию из фотона, необходимо провести измерение его характеристик;
• единственным способом измерить характеристики фотона является использование детектора одиночных фотонов. Как только фотон попадает на детектор, он передаёт энергию и исчезает. То есть измерение уничтожает фотон.
• Согласно  теореме о невозможности клонирования произвольного квантового состояния, нельзя воспроизвести фотон с абсолютно такими же характеристиками, сделать его копию.

В случае попытки перехвата, злоумышленник (в литературе принят термин Ева) не может, измерив характеристики фотона, создать такой же и направить в сторону получателя. Получить аналогичные характеристики можно с определённой вероятностью, то есть некоторое фотоны, излученные со стороны Евы, приведут к схожим измерениям на стороне приёмника, а остальные - нет. С точки зрения Боба, наличие третьей стороны приводит к ошибкам в измерениях.

Необходимо принимать во внимание то, что ошибки в измерениях есть всегда: они, могут быть вызваны, например, темновыми токами в фотоприёмнике. Обычно считается, что если уровень ошибок в ключе менее 11 процентов, то можно гарантировать безопасность линии связи.

Для наглядности ниже приведен принцип работы протокола BB84, названного в честь его создателей, инженеров с фамилиями Беннет и Брассар, и года создания технологии.

Алиса посылает Бобу фотоны, поляризованные в одном из двух, неортогональных друг другу, базисах: прямоугольном или диагональном. Боб получает их и измеряет поляризацию, выбирая базисы для измерения случайным образом, и записывает результаты измерений и базисы. Затем он и Алиса обмениваются информацией об использованных базисах (но не о результатах измерения) по открытому каналу, и данные, полученные в случаях, когда базисы не совпадали, сбрасываются. Остаются только значения, полученные при совпадении базисов. В QKD это называется “просеиванием ключа”.

Протокол BB84

Возможный “шпион”, который подслушивает передачу данных по этой линии связи может перехватить одиночный фотон, измерить его поляризацию и попытаться переслать копию фотона Бобу. Но это приведет к росту числа ошибок в распределяемом квантовом ключе. В результате и Алиса, и Боб поймут, что их канал прослушивает посторонний. Для определения уровня ошибок в ключе после процедуры квантового распределения Алиса и Боб по открытому каналу сравнивают небольшую часть ключа.

Первая подобная система связи была собрана авторами в 1989 году и передавала информацию на расстояние 32.5 см по воздуху. Сегодня дистанция между Алисой и Бобом равна сотням, тысячам километров и в качестве среды передачи информации выступает в большинстве случаев оптическое волокно.

В оптических волокнах использование состояния поляризации затруднительно, так как волокно сильно влияет на него. Больше возможностей представляет использование изменения фазы.

Если кратко: со стороны Алисы и Боба с помощью разветвителей сформированы два модулятора Маха-Цендера. В рабочем плече находится модулятор фазы. При определённом значении напряжения, сдвиг фазы равен 0° и, соответственно "0". При сдвиге на 180° значение - "1". Со стороны Боба ситуация аналогична.

Выбор напряжения (генерирующего определённый фазовый сдвиг) на фазовом модуляторе в осуществляется по аналогии с выбором базиса в первой схеме Беннета и Брассара - случайным образом. Однако предъявляются повышенные требования к точности соответствия длин плеч интерферометра.

Можно отметить два способа компенсации влияния температурного сдвига, позволившие вывести системы связи на основе квантового распределения ключей из лабораторий в "поле":

• В женевском университете разработчики построили систему, которая не только посылает импульс лазерного излучения от передающей стороны, но и возвращает его обратно от получателя, тем самым компенсируя сдвиг длины;
• Лаборатория Toshiba в университете Кэмбриджа предложила использовать опорный импульс как сигнал обратной связи для устройства, растягивающего волокно в плече интерферометра.
  

Пример схемы системы связи с QKD. Компоненты

Технология квантовой криптографии предъявляет повышенные требования к используемым компонентам и устройствам. Существует несколько основных принципов, используемых разработчиками по всему миру, но количество их вариаций крайне велико.

Принципиальная схема связи с QKD "Plug&Play"

Принципиальная схема связи с QKD "One Way Weak Pulse System"

Источники излучения
Источники излучения могут быть использованы различные. Мы остановимся на тех, которые представляют наибольший технологический интерес для разработчиков и производителей - импульсные источники фотонов.

Импульсный источник PPLN-SHG-1570-M

На фото выше представлен генератор поляризационно-коррелированных пар фотонов в диапазоне 1570 нм от компании Optilab (США). PPLN-SHG-1570-M - это генератор второй гармоники и суммарной частоты, основанный на базе PPLN-структур для работы в диапазоне длин волн 1570 нм. Устройство имеет волноводную структуру, которая обеспечивает высокую плотность мощности для повышения эффективности преобразования второй гармоники. Генератор имеет встроенный ТЕС и термистор для точного выбора длины волны. PPLN-SHG-1570-M один из ключевых элементов в квантовой криптографии.

Счетчики одиночных фотонов являются важнейшими элементами в квантовой криптографии. При выборе счетчика необходимо уделять особое внимание на эффективность обнаружения (QE), уровень шумов и надежность. Детекторы для счета одиночных фотонов доступны в двух вариантах:

• Настольные модули со встроенной необходимой электроникой:
  Настольный модуль для счета фотонов от компании RMY Electronics обладает низкой скоростью темного счета, низкой стоимостью и высокой стабильностью. При его создании компанией RMY был использован ряд передовых технологий, таких как управление стробированием, ограничение мертвого времени, подавление шума и подавление постимпульса и т. д. Прибор использует лавинный диод InGaAs/InP в режиме Гейгера в качестве светочувствительного элемента. Оригинальная новая схема технологии дифференциальной фильтрации дополнительно уменьшает скорость темнового счета при сохранении высокой эффективности обнаружения.

                 

                             

• Дискретные счетчики одиночных фотонов:
  Детекторы от компании RMY Electronics доступны с волоконным выводом и без, в корпусах TO-8 и TO-46. Счетчики оптимизированы для задач квантовой криптографии, обладают превосходными характеристикам (DCR<500 Гц, вероятность пост импульса <0.1%) и надежностью.

Модули для коррелированного по времени счета фотонов (TCSPC) 
Модули необходимы для выявления временных совпадений пар фотонов, а также для проверки времени прохождения фотона от старта до попадания на детекторы (проверка на взлом канала). 

Серия quTAG от компании Qutools (Германия) - это высококлассные, простые в использовании время-цифровые преобразователи. Устройства способны обнаруживать события с цифровым разрешением 1 пс и джиттером от 1 пс. quTAG позволяет вводить до 100 миллионов меток времени в секунду и использует соединение USB3.0 для передачи данных. Поставляется с программным обеспечением для Windows и Linux с простым в использовании графическим пользовательским интерфейсом. Его также можно интегрировать в специализированное программное обеспечение.

Амплитудный ЭОМ iXblue Photonics MXER-LN-10

Амплитудные модуляторы серии MXER специально разработаны с целью применения в схемах с повышенными требованиями к коэффициенту экстинкции и полосе частот. В квантовой криптографии наиболее часто применяются MXER с ER выше 30 дБ.

Контроллер поляризации MPC

Контроллеры поляризации третьего поколения MPC имеют меньшие габариты и более высокую температурную стабильность, практически не вносят потери в оптический канал и устраняют обратное отражение. Управление может осуществляться либо цифровым, либо аналоговым сигналом, при этом возможно получить любой желаемый результат поляризации, независимо от состояния поляризации на входе.

     

SSTD линия задержки от AGILTRON (слева) и MDL-003

Волоконно-оптические компоненты
Пассивные оптические компоненты являются неотъемлемой частью криптографической системы. Превосходные характеристики и надежность здесь также стоят на первом месте при выборе компонент. Компания DK Photonics предлагает все пассивные компоненты для использования в квантовой криптографии:

.

Оптический делитель/ объединитель от DK Photonics

• Оптические делители/объединители поляризации – волоконно-оптический компонент, которая может объединять два поляризованных световых сигнала в одно выходное волокно или делить световой поток на два поляризованных потока, ортогональных друг другу.
• Оптические разветвители – волоконно-оптический компонент для разделения оптического сигнала на два с разным коэффициентом деления.
• Переменный аттенюатор – волоконно-оптический компонент для внесения определенного уровня затухания в сигнал.
• Зеркало Фарадея – волоконно-оптический компонент, которая позволяет вращать поляризацию на 45^о или 90^о.

Сварка оптического волокна
В квантово-криптографических системах связи часто используется волокно с сохранением поляризации. Мы являемся единственной компанией на российском рынке, предлагающей портативные аппараты для сварки PM волокон, работающие от батареи, что позволяет осуществлять стыковку двулучепреломляющих волокон "в поле".

Подробно процесс сварки оптического волокна на примере специальных оптических волокон с сохранением поляризации приведён в описании решения на нашем сайте.

Сварочный аппарат FItel S185PM

Современные сварочные аппараты позволяют работать в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режимах. Аппараты по умолчанию поставляются с набором алгоритмов сварки наиболее часто применяемых в мире волокон. В случае, если заказчик использует другие волокна, японская компания FITEL (Furukawa Electric) бесплатно разрабатывает оптимальные алгоритмы для необходимых комбинаций.

Измерение характеристик элементов системы связи с QKD
Когда речь идёт о возможность "заглянуть внутрь" компактной схемы с большим количеством элементов, проанализировать поляризационные характеристики, вносимые потери, потери на отражение, необходимо использовать OBR рефлектометр высокого разрешения. Принцип его действия описан в нашей статье. Сканирование в частотном диапазоне с последующим Фурье-преобразованием позволяет выделить событие отражения с пространственным разрешением в 10 мкм и проанализировать его спектральную характеристику.

                   

Оптический рефлектометр обратного рассеяния OBR LUNA 4600 и пример рефлектограммы

LUNA OBR 4600 по праву считается уникальным прибором. На рефлектограмме отчётливо видны события на коннекторах, переключателях, сплиттере и сварных соединениях. Также видны четыре решётки, записанные на отрезке ОВ длинной в полметра. Спектральное разрешение позволяет с лёгкостью получить чёткий спектр каждой из ВБР, в том числе, наблюдая провал, вызванный π-сдвигом, что не могут обеспечить большинство спектроанализаторов на рынке.

В каталоге продукции на нашем сайте представлены следующие компоненты для построения квантово-оптических криптографических систем:

• Лавинные фотодиоды и счётчики фотонов
  
• DFB импульсные лазеры
• Перестраиваемые лазеры
• Фазовые модуляторы
• Амплитудные модуляторы
• Контроллеры поляризации
• Оптические линии задержки
• Волоконно-оптические аттенюаторы
• Волоконно-оптические разветвители
• Волоконно-оптические циркуляторы
• Волоконно-оптические (фарадеевские) зеркала
• Сварочные аппараты для специальных оптических волокон
• Приборы для анализа волоконных световодов и компонентов

Технические специалисты нашей компании будут рады ответить на любые вопросы по применению компонентов и модулей, а также предоставить коммерческие условия поставки на интересующую Вас продукцию. Вы можете связаться с нами любым удобным способом для получения дополнительной информации.