Лазерный мир

Физики из Университета Уотерлу (Канада) впервые реализовали квантовый канал связи для распределения секретных ключей шифрования между летящим самолетом в качестве получателя и наземной станцией в качестве отправителя. В рамках эксперимента ученым удалось в 6 попытках из 14 сгенерировать секретный ключ. В будущем система может найти применение для квантовой связи между самолетами и спутниками. Исследование опубликовано в журнале Quantum Science and Technology, кратко о нем сообщает Physics World.

Airborne demonstration of a quantum key distribution receiver payload
Two nighttime flights were conducted, each of two-hour duration and consisting of several passes of varying trajectories. Optical links were established using tracking feedback to two-axis motors, guided by strong beacon lasers (at a wavelength different from the quantum signal) and an imaging camera, at each of the two sites. The QKD signals produced by the source were guided through a telescope on the ground and pointed to the receiver on the aircraft. There, the QKD signal polarisations and times of arrival were recorded for later correlation and processing to complete the QKD protocol and extract the key.
http://iopscience.iop.org/article/10.1088/2058-9565/aa701f/meta;jsessionid=F27327724406600BA8101F4AE22DF4BA.c3.iopscience.cld.iop.org

Существующие системы криптографии основаны на существовании секретного ключа, с помощью которого происходит шифрование информации. Без знания этого ключа расшифровка по сути невозможна. К примеру, в методе шифровальных блокнотов и получатель и отправитель хранят у себя абсолютно идентичные наборы случайных данных, которые суммируются с текстом сообщения. Без блокнота перебор всех возможных ключей даст все возможные сообщения данной длины.

Однако ключ необходимо каким-либо образом передать между участниками связи. Перехват ключа на этом этапе позволит злоумышленнику полностью расшифровать всю переписку. Чтобы такой перехват был невозможен на уровне законов физики, ученые разработан алгоритм квантового распределения ключа. Он основан на передаче одиночных фотонов, приготовленных в случайном состоянии («ноль» или «единица») и в случайном базисе (в вертикальной/горизонтальной или диагональной поляризации). При попытке злоумышленника измерить поляризацию фотона, произойдет изменение состояния последнего. Это удастся легко отследить отправителю и получателю и отбросить скомпроментированный ключ.

Для реализации подобных протоколов связи необходимо наладить квантовую коммуникацию между отправителем и получателем. В случае городских сетей, это можно сделать с помощью оптоволоконных линий. Также распределение ключа между неподвижными объектами можно организовать «по воздуху», с помощью лазера и детектора. Эти подходы уже были реализованы — предельные расстояния составляют около нескольких сотен километров в обоих случаях. Технику ограничивают потери в оптоволокне и рассеяние на турбулентных потоках в воздухе.

Наземное оборудование станции связи

Авторы новой работы продемонстрировали принципиальную возможность квантового распределения ключа между летящим самолетом и наземной станцией. Для приема и передачи сигнальных фотонов физики использовали пару моторизированных телескопов. Приемник был установлен на самолете «Твин оттер», облетавшем наземную станцию по дуге или по прямой линии на высоте 1,6 километра. Номинальные расстояния между источником и приемником колебались от 3 до 10 километров. В установке были предприняты методы защиты от простейших атак, в том числе, «Троянских коней».

Приемник, установленный в самолете

Всего самолет выполнил 14 полетов рядом с наземной станцией со скоростью около 200-250 километров в час. Ровно в половине случаев исследователям удалось установить квантовый канал связи и в шести из них — сгенерировать секретный ключ. Время квантовой связи колебалось от 30 секунд до четырех с половиной минут, максимальный размер секретного ключа составил 867 килобит.

На подготовку эксперимента у ученых ушло почти восемь лет. Ранее похожий эксперимент был поставлен в Германии, однако на самолете находился источник фотонов, а не приемник. По словам физиков, именно в новой постановке эксперимента ключ можно будет успешно генерировать для связи между спутником и самолетом. Преимущество использования спутника в отсутствии естественных помех между отправителем и получателем, например, гораздо более разреженная среда.

Источник: https://nplus1.ru/news/2017/06/08/airborn-quantum