id: Гость   вход   регистрация
текущее время 17:00 22/09/2018
Владелец: unknown (создано 07/03/2012 17:10), редакция от 27/03/2012 20:09 (автор: SATtva) Печать
Категории: криптография, квантовая криптография
создать
просмотр
редакции
ссылки

Технология


По существу две технологии делают возможной квантовую криптографию: источники и детекторы одиночных фотонов. Дополнительно необходим канал передачи однофотонных состояний, так называемый квантовый канал. Остальная часть системы реализуется посредством достаточно стандартного телекоммуникационного и электронного оборудования.

Однофотонные источники


Однофотонные источники труднореализуемы. Поэтому сегодня большинство систем полагаются на слабые лазерные импульсы. Обыкновенные лазерные импульсы, например от полупроводниковых лазеров, настраиваются так, чтобы в среднем получалось менее одного фотона за импульс. Проблема в таком подходе состоит в том, что существует значительная вероятность того, что за импульс будет высвечено два или более фотона, если только среднее число фотонов не сделать значительно меньшим единицы. Количество фотонов в импульсе подчиняется статистике Пуассона, которая например означает, что если среднее число фотонов в импульсе равно 0.1, то вероятность не найти ни одного фотона составит 0.9048, вероятность обнаружить один фотон составит 0.0905, а вероятность нахождения двух или более фотонов будет 0.0047. Если Алиса будет излучать импульсы, содержащие более одного фотона, то Ева сможет перехватить и сохранить один из фотонов импульса до того как будет объявлен базис. Затем она может выполнить совершенное измерение в этом базисе и изучить битовое значение кубита, отсылавшегося Бобу. Из-за этого, наличие многофотонных импульсов снижает пропускную способность при создании секретного ключа. Количество многофотонных импульсов по сравнению с однофотонными может быть снижено путём снижения среднего количества фотонов, однако когда среднее количество фотонов мало, это означает, что большинство битслотов остаются пустыми, что также приводит к снижению битрейта. В принципе, последнее может быть компенсировано увеличением уровня импульсов. Однако, остаётся другой недостаток, такой как тёмные щелчки (ошибочно детектируемые события), которые являются значительными в однофотонных детекторах. В результате по мере роста соотношения сигнал-шум, возрастает и битрейт квантовых ошибок, в то время как снижается среднее число фотонов.


Идеальный источник фотонов — это устройство, которое испускает по требованию одиночный фотон.18 Несмотря на сообщения о прогрессе, практические устройства так до сих пор и недоступны [17].


Несмотря на это, практические операции на десятки километров были осуществлены с использованием слабых источников единичных фотонов. Также существуют продвинутые протоколы19, которые позволяют безопасную эксплуатацию на расстояние свыше 100 км с источником слабых лазерных импульсов.

Однофотонные детекторы


Детектирование единичных фотонов может быть реализовано множеством способов, например при помощи фотоумножителей, фотодиодов с лавинным эффектом, также как и на основе множества видов более экзотических сверхпроводящих устройств, требующих охлаждения до температуры менее 4 K.20 Лучшим и фактически единственным практичным выбором для использования в квантовой криптографии на сегодня является лавинный фотодиод [3]. Лавинный фотодиод — это полупроводниковый прибор, работающий под большим напряжением для детектирования единичных фотонов.21 Если единичный фотон будет поглощён полупроводником, то он испустит единичный электрон. Интенсивное электрическое поле в полупроводнике приведёт к тому, что этот начальный электрон столкнётся с решёткой и возбудит больше электронов, которые в результате усиления образуют лавину электронов (множество сотен). Эта лавина достаточно велика для того, чтобы соответствующий скачок тока регистрировался внешней схемой. К сожалению, лавина может возникнуть и без фотона, инициируемая тепловым возбуждением, туннелированием или испусканием захваченных носителей заряда. Последнее происходит когда электроны от предыдущей лавины застревают в дефектах полупроводниковой решетки и затем медленно высвобождаются. Это испускание захваченных зарядов ограничивает практическую скорость счёта. Это серьёзное ограничение в существующих системах, использующих слабые лазерные импульсы, где высокие скорости следования импульсов желательны для достижения приемлемых битрейтов.

Квантовый канал


Алиса и Боб должны быть соединены квантовым каналом. Этот канал должен быть таким, чтобы кубит был защищён от шума внешей среды. Стандартное одномодовое оптоволокно, используемое для передачи данных и телекоммуникаций является почти идеальным каналом для передачи одиночных фотонных состояний (кубитов). Все оптические волокна имеют потери в процессе передачи, ограничивающие количество кубитов, достигающих детектора. Это оказывает прямое влияние на скорость обмена ключами и сырые данные прямо пропорциональны вероятности передачи фотона на линии. Современные телекоммуникационные волокна имеют потери около 2 dB/km, 0.35 dB/km и 0.2 dB/km и обычно используют окна длин волн 800 nm, 1300 nm и 1550 nm соответственно. На 1550 нм это означает, что по крайней мере 50% фотонов будут потеряны на расстоянии 15 км или 99% на расстоянии 100 км. Наибольшее успешное распределение квантового ключа, по данным лабораторных экспериментов было 250 км при крайне низком битрейте 15 секретных бит/с. Сегодняшние коммерческие системы ограничены 50-100 км.


Все волокна подвергаются случайным воздействиям окружающей среды, таким как изменения температуры. Это искажает поляризационные состояния и таким образом меняет состояния кубитов. Следовательно, уровень ошибок возрастает на несовершенном канале. Глобальный эффект от такого возмущения — это видоизменение между входом и выходом оптоволокна. Если такое изменение стабильно, то Алиса и Боб могут компенсировать его, применяя для выравнивания поляризационный контроллер, определяя направление горизонтальной и вертикальной поляризации. Если такая трансформация является медленно меняющейся, то для периодической подстройки возможно использовать систему обратной связи. Возможны интеллектуальные решения: ранние коммерческие системы использовали т.н. "plug and play" оптические схемы, которые прекращали возмущения поляризации без необходимости активного контроля [12].


В качестве альтернативы оптоволокну квантовый канал может быть реализован на линии прямой видимости через атмосферу. Алиса и Боб могут использовать небольшие телескопы, направленные друг на друга для отправки фотонов. Доступность и качество связи на линии будут зависеть от погодных условий. Однако, воздух будет вносить искажения в поляризацию как ничто другое, приводя к высоким потерям. Наибольшее расстояние передачи было реализовано на 144 км между вершинами канарских островов [21]; однако более практичными будут линии связи 10-30 км [10]. Успех этих наземных экспериментов подсказывает возможность согласования секретного ключа межу наземной станцией и спутником. Низкоорбитальный спутник может обеспечивать глобальную сеть распространения ключей за счёт успешного установления линий распространения ключа с территориями, которые находятся на маршруте его полёта.22

Генератор случайных чисел


Ключ, используемый для одноразового блокнота, должен быть абсолютно идеальным. Поскольку компьютеры являются детерминированными системами, они не могут использоваться для генерации случайных чисел для криптографических систем. Поэтому случайные числа должны генерироваться с помощью истинно случайного физического процесса. Один из примеров — это прохождение фотона через разделитель луча: фотон будет найден на одном из двух выходов из разделителя. На каком из выходов — это будет зависеть от случайности, связанной с квантовой механикой. Ясно, что существует множество других процессов, которые могут быть использованы. В то время как физические генераторы случайных чисел с битрейтом в несколько Mбит/с применяются в текущих коммерческих системах согласования ключа, конструирование более высокоскоростных генераторов истинно случайных чисел всё ещё остаётся на экспериментальной стадии.



18 Такой источник часто называется фотонной пушкой.
19 Например протокол с ловушками состояний [9]
20 Для обширного обзора техник детектирования фотонов см. [7]
21 Фотодиод имеет обратное смещение ниже порога пробивного напряжения.
22 Это требует работы спутника в режиме доверяемого узла, как будет позднее рассмотрено в данной главе [19].


Назад | Оглавление | Дальше


 
Комментариев нет [показать комментарии/форму]
Ваша оценка документа [показать результаты]
-3-2-1 0+1+2+3