В рамках проекта «Квантовая криптография» научно-технологической программы «Большие вызовы», которая проходила в Образовательном центре «Сириус» в июле, школьникам удалось безопасно передать изображение с помощью технологии квантовой связи, секретность которой гарантируется фундаментальными физическими законами. Проектом руководили специалисты Российского квантового центра.
В состав группы вошли семь учеников 8-10 классов из разных городов России. Они изучили основные принципы квантовой передачи данных, настроили оборудование для генерации секретного ключа и написали программное обеспечение для его обработки и использования. Ребята создали квантово-защищенную оптоволоконную линию связи между соседними помещениями в Сириусе, по которой секретный ключ передавался со скоростью 4 килобита в секунду, и уровень ошибок не превышал 0,00001%.
«Квантовые коммуникации сочетают в себе старые, хорошо проверенные телекоммуникационные технологии и новые, но уже надежно подтвержденные квантово-информационные методы, основанные на передовых достижениях квантовой физики. Технология квантового распределения ключа позволяет передать гарантированно секретное сообщение, безопасность этого типа шифрования доказана математически», – пояснил Денис Сыч, соруководитель проекта, старший научный сотрудник РКЦ, сотрудник Физического института имени П.Н. Лебедева РАН.
В основе квантовой линии связи лежит обычное оптоволоконное соединение. Однако без дополнительных мер безопасности передаваемая по оптоволокну информация может быть незаметно перехвачена. Поэтому информацию надо шифровать, а значит, обеим сторонам – передающей и принимающей – следует договориться об использовании одинакового ключа шифрования, причем так, чтобы сам ключ в открытом виде по каналу не передавался. Вот тут-то и приходит на помощь квантовая физика: биты ключа передаются с помощью одиночных фотонов. Если в процесс распределения ключа вмешается злоумышленник, то, считывая фотоны, он неизбежно изменит их состояние. Число ошибок в распределенном ключе увеличится, и вмешательство обнаружится.
.jpg)
«Квантовая криптография хорошо интегрируется в существующие системы связи, ведь для нее можно использовать самое обычное оптоволокно, которое есть в любом городе, – рассказал участник команды Семен Цокуренко из Гусь-Хрустального. – Эта технология понадобится в любых сферах, где есть потребность в защищенной передаче информации, будь то финансовые учреждения или государственная связь особой важности».
Однако при работе с отдельными квантовыми частицами ошибки возникают даже в отсутствие перехватчика. В первую очередь, это связано с электронным и оптическим шумом детекторов одиночных фотонов и оптоэлектронных компонентов. Согласно расчетам, уровень аппаратных и программных ошибок при генерации ключа не должен превышать 11%, иначе ключ перестанет быть секретным. Поэтому при наладке квантовой связи применяются специальные аппаратные и программные приемы по снижению ошибок.
Во время экспериментов в Сириусе школьникам удалось снизить уровень аппаратных ошибок до 2-3%, а затем с помощью программного алгоритма они довели его до 0,00001%. Полученный ключ ребята использовали для симметричного шифрования данных методом одноразовых блокнотов.
«Мы разработали и испытали алгоритм коррекции ошибок, – рассказал участник проекта Захар Афонин из Липецка. – На данный момент мы написали такую программу, с помощью которой снизили уровень ошибок в ключе с 3% до менее чем 0,00001%. Такой “очищенный” ключ позволяет передавать потоковое видео и программы с повышенным уровнем секретности».
Широко используемые сегодня асимметричные методы шифрования с открытым ключом находятся под угрозой из-за возможного скорого появления квантового компьютера. Квантовая криптография – хороший способ на долгий срок обезопасить передаваемые сведения, если заранее перейти к шифрованию данным методом.
«Впервые в мире квантовая криптография входит в школьный проект на таком высоком уровне, – рассказал Вадим Родимин, старший научный сотрудник группы Квантовых коммуникаций РКЦ, руководитель направления учебно-исследовательской квантовой криптографии. – Школьники освоили работу с квантовой установкой, модифицировали код, оптимизировали генерацию ключа и написали свою постобработку – “научили” приемник квантового сигнала исправлять ошибки».
В конце июля на фестивале проектов в Сириусе ребята продемонстрировали процесс шифрования, передачи и расшифровки изображения с использованием написанных программ и сгенерированного ими ключа.
«Взрослый» аналог такой линии, разработанный фирмой «КуРэйт», дочерней компанией РКЦ, уже внедряется в Сбербанке, Газпромбанке и PwC, а значит вскоре понадобится все больше ИТ-специалистов, знакомых с этой технологией.
