Исследователи создали технологию развертывания бюджетной квантовой сети

Квантовое распределение ключей (КРК) – это метод передачи секретного ключа между двумя сторонами, безопасность которого основана на фундаментальных законах квантовой физики. Проще говоря, КРК позволяет создать общий случайный ключ, который будет известен только двум взаимодействующим сторонам, и использовать его для шифровки и дешифровки сообщений. Главным преимуществом КРК стала возможность обнаружить присутствие третьей стороны, которая пытается получить доступ к ключу. Выявить это можно, благодаря повышенному уровню квантовых ошибок и другим отклонениям в системе.

Однако создание квантовых сетей связано с рядом проблем: высокая стоимость устройств КРК и необходимость обеспечения разумных скоростей передачи секретных ключей между общающимися субъектами. Зависимость максимальной скорости передачи сигнала прямо пропорционально длине линии и параметров КРК-установки. Она будет оптимальной, если будет больше или равна скорости расходования ключа пользователем. В другом случае ключ необходимой длины не будет успевать накапливаться, а передача шифрованных данных будет прерываться.

Своё решение этой проблемы предоставила группа ученых НТИ НИТУ «МИСиС», МФТИ и РКЦ: использовать оптические коммутаторы существующих оптоволоконных сетей - это позволит сократить количество используемых устройств КРК.

Соавтор исследования и руководитель лаборатории теории квантовых коммуникаций Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС» Андрей Тайдуганов объяснил: «Идея использования коммутаторов заключается в том, что оптические каналы существующей телекоммуникационной структуры очень разнородны с точки зрения потерь, поэтому скорость генерации ключей сильно различается в разных сегментах. Поэтому, по крайней мере, в случае конфигурации магистральной квантовой сети, нет смысла организовывать непрерывную генерацию ключей на всех участках - скорость генерации ключей ограничена самым медленным каналом. Таким образом, использование оптических переключателей в сегментах с низкими потерями может помочь значительно снизить общую стоимость квантовой сети, в то время как скорость генерации секретного ключа остается достаточно высокой».

Эксперты представили архитектуру сети КРК, которая основана на использовании оптических переключателей и сокращении количества передающих и в особенности приемных устройств, в которых используются однофотонные детекторы. Они дали соответствующую модификацию сетевого протокола сети, использовав реалистичную протестированную в лабораторных условиях модель работы протокола. С ее помощью исследователи произвели расчет скоростей генерации ключа для каждого участка проектируемой магистральной квантовой сети протяженностью 670 км между Москвой и Удомлей (Тверская область), и проведена оптимизация конфигурации сети для обеспечения ее максимальной производительности. В качестве прототипа была собрана сеть из четырех узлов с одним переключателем и разработан сетевой протокол. Работу этой небольшой сети протестировали в лабораторных условиях: провели сравнение полученных результатов с предсказаниями разработанной теоретической модели, которое продемонстрировало ее валидность.

После проведения исследований различных схем сети с всевозможным размещением устройств, разработчики предложили несколько конфигураций, которые обеспечивают снижение затрат на 28% на развертывание и обслуживание всей системы без существенной потери общей скорости передачи информации.

Результаты данной работы опубликованы в научном журнале Optics Express.

Фото - pxhere.com