Простейший алгоритм генерации секретного ключа
Каждый из импульсов случайным образом поляризован в одном из четырех направлений: | — \ /. Например, Алиса посылает: — / \ | \ — |.
Боб настраивает свой детектор произвольным образом на измерение серии либо диагонально, либо ортогонально поляризованных импульсов (мерить одновременно и те и другие нельзя): X X + X X + +.
В тех случаях, где Боб угадал поляризацию, он получит правильный результат (такую же поляризацию, какую посылала Алиса). В остальных случаях результат будет случайным.
Боб и Алиса по открытому каналу сообщают друг другу использованные типы поляризаций (диагональная или ортогональная). Оставляют только правильно измеренные.
В нашем примере Боб угадал поляризацию 2-го, 5-го, 6-го и 7-го импульсов. Таким образом, остаются: \ \ — |.
По заранее оговоренным условиям эти результаты превращаются в последовательность битов (например, 0° и 45° принимаются за единицу, 90° и −45° — за ноль, в приведённом выше примере получится 0010).
Перехват сообщения-ключа Боб и Алиса могут обнаружить посредством контроля ошибок, сверив случайно выбранные из сообщения биты. Несовпадения указывают на перехват сообщения, тогда ключ изменяется, то есть передается повторно.
Если расхождений нет, то биты, использованные для сравнения, отбрасываются, ключ принимается. С вероятностью 1 - 2-k (где k — число сравненных битов) канал не прослушивался.
Впрочем, если недоброжелатель может не только прослушивать основной канал Алиса->Боб, но и может фальсифицировать работу открытого канала Боб->Алиса, то вся схема рушится. (Man-In-The-Middle)
Описанный алгоритм носит название протокола квантового распределения ключа BB84. В нем информация кодируется в ортогональные квантовые состояния. Помимо использования ортогональных состояний для кодирования информации, можно использовать и неортогональные состояния (например протокол B92).
Реализация идеи квантовой криптографии
Схема практической реализации квантовой криптографии показана на рисунке. Передающая сторона находится слева, а принимающая - справа. Ячейки Покеля необходимы для импульсной вариации поляризации потока квантов передатчиком и для анализа импульсов поляризации приемником. Передатчик может формировать одно из четырех состояний поляризации. Передаваемые данные поступают в виде управляющих сигналов на эти ячейки. В качестве канала передачи данных может быть использовано оптоволокно. В качестве первичного источника света можно использовать и лазер.
рис.2 Практическая схема реализации идеи квантовой криптографии
На принимающей стороне после ячейки Покеля установлена кальцитовая призма, которая расщепляет пучок на два фотодетектора (ФЭУ), измеряющие две ортогональные составляющие поляризации. При формировании передаваемых импульсов квантов возникает проблема их интенсивности, которую необходимо решать. Если квантов в импульсе 1000, есть вероятность, что 100 квантов по пути будет отведено злоумышленником на свой приемник. В последующем, анализируя открытые переговоры между передающей и принимающей стороной, он может получить нужную ему информацию. Поэтому в идеале число квантов в импульсе должно быть около одного. В этом случае любая попытка отвода части квантов злоумышленником приведет к существенному изменению всей системы в целом и, как следствие, росту числа ошибок у принимающей стороны. В подобной ситуации принятые данные должны быть отброшены, а попытка передачи повторена. Но, делая канал более устойчивым к перехвату, специалисты сталкиваются с проблемой "темнового" шума (получение сигнала, который не был отправлен передающей стороной, принимающей стороной) приемника, чувствительность которого повышена до максимума. Для того, чтобы обеспечить надежную передачу данных, логическому нулю и единице могут соответствовать определенные последовательности состояний, допускающие коррекцию одинарных и даже кратных ошибок.
Дальнейшего повышения отказоустойчивости квантовой криптосистемы можно достичь, используя эффект EPR, который возникает, когда сферически симметричный атом излучает два фотона в противоположных направлениях в сторону двух наблюдателей. Фотоны излучаются с неопределенной поляризацией, но в силу симметрии их поляризации всегда противоположны. Важной особенностью этого эффекта является то, что поляризация фотонов становится известной только после измерения. Экерт предложил криптосхему на основе эффекта EPR, которая гарантирует безопасность пересылки и хранения ключа. Отправитель генерирует некоторое количество EPR фотонных пар. Один фотон из каждой пары он оставляет для себя, второй посылает своему партнеру. При этом, если эффективность регистрации близка к единице, при получении отправителем значения поляризации 1, его партнер зарегистрирует значение 0 и наоборот. Таким образом партнеры всякий раз, когда требуется, могут получить идентичные псевдослучайные кодовые последовательности. Практически реализация данной схемы проблематична из-за низкой эффективности регистрации и измерения поляризации одиночного фотона.
Экспериментальные реализации
Американские эксперименты
Еще сравнительно недавно метод квантового распространения ключа воспринимался как научная фантастика. Но в 1989 г. в Уотсоновском исследовательском центре IBM группой ученых под руководством Чарльза Беннета и Джила Брасарда была построена первая система экспериментально-практической реализации протокола ВВ84. Эта система позволила двум пользователям обмениваться секретным ключом со скоростью передачи данных 10 бит/с на расстоянии 30 см.
Позже идея получила развитие в Национальной лаборатории Лос-Аламоса в эксперименте по распространению ключа по оптоволоконному кабелю на расстояние 48 км. При передаче сигнала в воздушной среде расстояние составило 1 км. Разработан план эксперимента по передаче квантового сигнала на спутник. Если этот эксперимент увенчается успехом, можно надеяться, что технология вскоре станет широко доступной.
Квантово-криптографические исследования развиваются быстрыми темпами. В ближайшем будущем методы защиты информации на основе квантовой информации будут использоваться в первую очередь в сверхсекретных военных и коммерческих приложениях.