ОГЛАВЛЕНИЕ

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)

1 2 3 4 5 6
35821
60284
57830 41852 92180
57937 58126 95248 35698 62084
89132 32842 65418 69872 38125 68004
35978 21598 32894 20348
35412 35068
76402
58214
16584


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
«1», ?2 – логическое значение «0». 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 ћ?1, то он может быть уверен, что другой пользователь в
эксперименте с тем же по счёту номером обнаружил фотон с энергией ћ?2.
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 (h?1) и E2
(h?2) 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 networks’ modelling and design.- In
LSS’98 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.



ОГЛАВЛЕНИЕ