Файл: Мнтоды кодирования данных.pdf

Теоретически абсолютно безопасной криптосистемой является схема одноразового блокнота, к которой наиболее близко из всех возможных на сегодня позиционируется система квантового распределения ключей. Возможность реализации эта система стала после появления на рынке лавинных фотодиодов с большим коэффициентом лавинного размножения М, способных работать в режиме счета фотонов.

Квантовая криптография обеспечивает возможность относительно быстрой смены ключей и определения попыток злоумышленника вторгнуться в канал связи. Наличие ошибок при передаче/приеме квантовых состояний не обязательно приводит к потере секретности. Для каждого протокола КК существует критическая ошибка, превышение которой больше не гарантирует секретности. Если уровень ошибок, обычно измеряемый в процентах, ниже критического, то для извлечения ключа используются протоколы коррекции ошибок (error correction) и последующего сжатия оставшейся строки битов (privacy amplification). После выполнения этих протоколов исходная строка битов укорачивается, однако гарантируется, что злоумышленник имеет о ней столь мало информации, сколько пожелают легитимные пользователи.

Таким образом, квантовая криптография и передача информаций, основывается на степенях свободы однофотонного электромагнитного поля - фаза, частота, поляризация, временной интервал. Фотоны - наиболее удобные квантово-механические объекты для использования в квантовой криптографии, поскольку они распространяются с предельно высокой скоростью и обладают набором степеней свободы для осуществления кодирования. Кроме того, имеющиеся телекоммуникационные технологии позволяют использовать ряд классических методов для генерации, преобразований и контроля однофотонных состояний.

2.2. Протоколы квантовой криптографии

На сегодняшний день существует несколько рабочих протоколов в квантовой криптографии. Под протоколом понимается совокупность действий (таких как инструкции, команды, вычисления, алгоритмы), выполняемых в заданной последовательности двумя или более легитимными субъектами с целью достижения некоего результата. Протоколы распределения ключей на основе дискретных квантовых состояний, в целом, можно разбить на две группы.

В первую входят протоколы квантовой криптографий, оперирующие с неортогональными квантовыми состояниями. Наиболее известные из них: ВВ84, В92, SARG.

Во вторую - протоколы, основанные на так называемых перепутанных квантовых состояниях и проверке выполнения соотношений типа неравенства Белла. Под перепутанными понимают состояния составной системы, волновую функцию которых (для чистых состояний) нельзя выразить через волновые функции подсистем. Другими словами, такое состояние составной системы полностью определено (оно описывается волновой функцией, и энтропия фон Неймана равна нулю), а состояния подсистем полностью неопределенны (они находятся в смешанном состоянии, и их энтропия достигает максимального значения).

Наиболее известный протокол на перепутанных состояниях — протокол А.Экерта или Е91. В основе отдельной группы протоколов лежит кодирование информации в квадратурные амплитуды моды квантованного электромагнитного поля. Секретность системы основана не на трудности обработки, как классической, так и квантовой, а непосредственно на свойствах квантовой интерференции: именно она дает этой системе абсолютную секретность, которую невозможно обеспечить с помощью классических методов. Никакой объем будущих вычислений, ни на каком компьютере не поможет тому, кто хотел бы подслушать послания, закодированные квантовым методом: поскольку, если кто-либо общается через среду, демонстрирующую интерференцию, то он сможет обнаружить подслушивающих его людей. Иными словами, если кто-либо попытается перехватить информацию в квантовой среде, он неизменно повлияет на систему и на последующие интерференционные свойства.

При передаче данных обе стороны, принимающая и передающая, ставят повторяющиеся эксперименты по интерференции, согласуя их через общественный канал связи. Только когда интерференция пройдет проверку на отсутствие подслушивающих, они переходят к следующей стадии протокола, состоящей в том, чтобы использовать некоторую часть переданной информации в качестве криптографического ключа. В худшем случае упорный подслушивающий может помешать связи состояться (хотя, безусловно, этого проще достичь, перерезав телефонную линию). Но что касается чтения сообщения, это может сделать только получатель, для которого оно предназначено, это гарантируют законы физики.

2.3. Каналы связи и система передачи данных

Каналами связи в квантовой криптографии, по которым передающая и принимающая стороны обмениваются квантовыми состояниями, могут выступать как волоконно-оптические каналы, атмосфера, и так называемый “открытый” канал связи. Открытым называется канал, если передаваемая по нему информация может быть доступна любому участнику протокола. Таким каналом может выступать, например, Интернет.

Одним из наиболее значимых событий для квантовой криптографии в волоконно-оптической связи стало создание однофотонного детектора, способного фиксировать единичные фотоны, передаваемые через волоконно-оптические кабели с эффективностью 99 %. Этого достигают за счет повышенной согласованности детектора и оптических волокон.

Принцип работы детектора заключается в использовании сверхпроводника как ультрачувствительного термометра. Каждый удар фотона повышает температуру датчика и увеличивает электрическое сопротивление. Отсутствие ложных срабатываний отличает его от других типов детекторов, имеющих очень высокий коэффициент усиления. Причина в том, что их уровень шума таков, что иногда шум ошибочно идентифицируется как фотон. Это приводит к погрешности в измерениях. Детектор предназначен для области электронной связи и квантовых измерений мощности оптического излучения.

Известны способы передачи данных по оптическим линиям связи с использованием квантовой криптографии, например: US 20040109564 A1, HIGH-RATE QUANTUM KEY DISTRIBUTION SCHEME RELYING ON CONTINUOSLY PHASE AND AMPLITUDE-MODULATED COHERENT LIGH PULSES, Cerf et al., в котором для передачи секретной информации используют квантовый канал связи, а для обмена служебными данными используют открытый общедоступный канал связи. Однако скорость передачи квантового канала остается низкой, а тестовые испытания передачи секретного ключа была около 1,7 Мбит/с. Система уязвима для дешифровки информации при перехвате секретного ключа.

Существует система для передачи оптических данных с квантовым кодированием сигнала: US 2009268901 (Al), CONTINUOUS VARIABLE QUANTUM ENCRYPTION KEY DISTRIBUTION SYSTEM, Lodewyck et al., которая была предложена с целью обеспечить максимальную совместимость с уже имеющимися протяженными оптическими линиями связи. Однако поскольку линия связи протяженная, то для борьбы с квантовым шумом и прохождения по ней последовательности фотонных импульсов приходится увеличивать их число, т.е. мощность света из-за потерь в линии на принимающей стороне, точнее - увеличивать соотношение сигнал-шум (OSNR). Это приводит к тому, что в области передающего устройства, в линии имеется достаточно большой сигнал, чтобы часть его могла быть ответвлена для прослушивающего устройства. А значит потенциально возможен несанкционированный доступ к информации. Кроме того, задача подслушивающей стороны значительно облегчается, поскольку передача данных с использованием законов квантовой механики для счетного числа фотонов происходит на низких частотах.

Существуют оптические линии связи, обеспечивающие безошибочную передачу данных между двумя сторонами. Их цель безошибочно передать кодированную информацию, например: WO 2007035599 (А2), METHOD AND SYSTEM FOR CONTROL LOOP RESPONSE TIME OPTIMIZATION, Fedyakin et al. Для этого используют избыточное кодирование, FEC-кодирование (Forward Error Correction) и согласованную настройку оптического передатчика и приемника для уверенного безошибочного приема и FEC-декодирование сигнала. Уверенный прием данных создает благоприятные условия и для перехвата информации при несанкционированном подключении к волоконной линии связи. В такой линии связи возможен перехват данных.

Существует способ когерентной передачи данных OPTICAL ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION DEMULTIPLEXED COMMUNICATIONS WITH COHERENT DETECTION, US 20080159758 Al, Shpantzer et al., в котором используют когерентное детектирование сигнала на принимающей стороне. Когерентность в приеме данных означает, что в оптическом приемнике регистрируется не только амплитуда входного сигнала, но и фаза. Когерентный прием осуществляется за счет смешивания принимаемого сигнала с излучением дополнительного лазера, находящегося в приемнике. Этот лазер играет роль локального осциллятора. На фотоприемнике выделяются компоненты, пропорциональные квадрату модуля оптического поля принимаемого сигнала и локального осциллятора. Они разделяются электроникой. Информация о фазе содержится в интерференционном слагаемом, образуемым произведением полей сигнала и осциллятора. Для увеличения суммарной скорости передачи данных используют ортогонально поляризованный оптический сигнал, а для устойчивой передачи данных применяют метод коррекции ошибок. Уровень передаваемого оптического сигнала таким способом достаточно высок, чтобы обеспечить максимальную достоверность данных и при возникновении случайных потерь до 1 дБ система будет успешно функционировать и, следовательно, несанкционированное вмешательство в линию не будет замечено. Это и означает, что создаются благоприятные условия для уверенного приема данных как на принимающей стороне, так и для подслушивающей стороны. В этом и состоит главный недостаток предложенного способа. [18]

Приведенные выше системы передачи данных работают в режиме счета отдельных фотонов и, как следствие, не могут работать со скоростями выше 1Гбит/с. Указанных выше недостатков лишена предлагаемая ниже волоконно-оптическая линия связи повышенной секретности за счет отказа от режима счета отдельных фотонов и настройки системы на максимальную частоту передачи данных до 100 Гбит/с и выше. При этом мощность передающего устройства выбирается минимальной, при которой мощность, приходящаяся на 1 бит информации соизмерима с уровнем квантового шума в линии в соответствующей скорости передачи полосе частот.

Вывод: Квантовый метод кодирования данных – это новое направление в передаче данных между пользователями.

Явления квантовой физики и квантовой информации помогут осуществить новые, быстродействующие алгоритмы кодирования данных и информации, в том числе и ее защиты, которые смогут быть применены с успехом в квантово-криптографических системах, квантовых сетях и квантовых компьютерах на уровне программного обеспечения, на уровне принципиально нового познания квантовых процессов.

3. Перспективы развития квантового кодирования данных

Квантовая криптография еще не вышла на уровень практического использования, но приблизилась к нему. В мире существует несколько компаний ведущих активные исследования в области квантовой криптографии, из наиболее известных таких как IBM, GAP-Optique, Mitsubishi, Toshiba.

Диапазон участников охватывает как крупнейшие мировые институты, так и небольшие начинающие компании, что позволяет говорить о начальном периоде в формировании рыночного сегмента, когда в нем на равных могут участвовать и те, и другие.

Например, Toshiba разрабатывает технологию не взламываемой системы шифрования. [19]

По мнению разработчиков новой технологии, лучший способ защитить информацию в сети – использовать одноразовые ключи для дешифрования.

Ключ в системе, созданной компанией Toshiba, передается посредством фотонов, сгенерированных лазером - световые частицы доставляются по специальному оптоволоконному кабелю, не подключенному к интернету.

Природа фотонов такова, что любые попытки перехвата данных изменяют эти данные и это немедленно детектируется, а поскольку одноразовый ключ должен иметь размер, идентичный зашифрованным данным, исключается повторное применение одного и того же шаблона, что делает декодирование без правильного ключа невозможным.

При всех своих принципиальных достоинствах этому методу свойственны значительные базовые ограничения: вследствие затухания светового сигнала, передача фотонов (без репитера) возможна на расстояние не более 100 км. Фотоны чувствительны к вибрации и высоким температурам, это также осложняет их передачу на большие расстояния.