КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-71-20146

НазваниеПроблемы передачи и обработки квантовой информации актуальные для развития квантовых технологий

РуководительКурочкин Юрий Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионОбщество с ограниченной ответственностью "Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий", Московская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2017 - 06.2020  , продлен на 07.2020 - 06.2022. Карточка проекта продления (ссылка)

КонкурсКонкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах, 01-212 - Квантовые методы обработки информации

Ключевые словаКвантовая теория информации, квантовая криптография, кубит, квантовая запутанность, квантовые вычисления, атаки на квантовые протоколы, секретность квантовых протоколов, исправление ошибок, квантовая оптика, открытые квантовые системы, декогеренция

Код ГРНТИ20.00.00


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Квантовая теория информации – обширное и бурно развивающееся научное направление, находящиеся на стыке передовых областей математики и квантовой физики. Цель настоящего проекта состоит в теоретическом исследовании фундаментальных вопросов квантовой теории информации, насущная важность которых обусловлена и подтверждена текущим прогрессом квантовых технологий. Предлагаемые в рамках настоящего проекта научные задачи связаны с исследованием математических и физических аспектов передачи и обработки квантовой информации. Квантовое распределение ключа является одной из первых технологий, подразумевающих приготовление и управление индивидуальными квантовыми объектами, которая вышла в практическую плоскость. Особую актуальность технологии квантового распределения ключа придает возможное появление в ближайшие годы универсального квантового компьютера. Квантовый компьютер позволит эффективно (с помощью алгоритмов Шора и Гровера) решать задачи, лежащие в основе систем распределения ключа современных криптографических алгоритмов. Необходимо отметить, что сфера В данный момент устройства квантовой криптографии уже являются коммерческим продуктом, выпускаемым в Швейцарии, Франции и США. В России на высоком научном уровне проводятся исследования в области создания. В России исследовательские системы, реализующие квантовое распределение ключа, разрабатывают в Российском Квантовом Центре (ООО «МЦКТ»), МГУ и ИТМО. Одним из наиболее важных этапов на пути от исследовательского образца к промышленному продукту является создание набора алгоритмических решений для обработки квантовых ключей и передачи квантовых ключей потребителю. Лабораторию квантовых коммуникаций Российского Квантового Центра возглавляет руководитель настоящего проекта, Ю. В. Курочкин. В рамках ФЦП «Создание опытного образца квантового устройства безопасной передачи данных» под его руководством к концу 2017 г. будет создано устройство квантового распределения ключа, готовое к промышленному внедрению. К настоящему моменту создан модульный прототип устройства, испытанный и продемонстрировавший устойчивую работу на городских линиях связи. Кроме того, разработаны передовые алгоритмические решения для обработки квантовых ключей, превосходящие по своим характеристикам мировые аналоги. Другие российские аналоги систем обработки квантовых ключей неизвестны. В созданном устройстве реализован хорошо известный протокол квантового распределения ключа BB84 с обманными состояниями. Следует, однако, подчеркнуть, что опыт работы над этим устройством показал необходимость и перспективность углубленного теоретического анализа методов и протоколов квантового распределения ключа. Существует большое разнообразие направлений такого анализа, которые способны привести, во-первых, к радикальному улучшению существующих систем и, во-вторых, к созданию условий для внедрения квантового распределения ключа в широкий спектр информационно-технологических приложений. Среди таких направлений стоит выделить анализ возможных уязвимостей известных протоколов и их технических реализаций, поиск контрмер против таких уязвимостей, а также разработку новых протоколов квантового распределения ключа. Одним из примеров является внедрение коллективом новой процедуры обработки обманных состояний, основанной на центральной предельной теореме. Лучшая мировая практика исследований в области квантовых информационных технологий демонстрирует тот факт, что прорывные работы возникают в результате синергии теоретических и экспериментальных исследований. Яркими примерами являются исследования и разработки группы Н. Жизана и компании IDQuantique (GAP и IDQuantique, Женева, Швейцария), тесное взаимодействие теоретической группы Н. Люткенхауса и экспериментальных групп В. Макарова и Х.К. Ло (IQC, Канада), и т. д. Предлагаемый проект способен дать такую синергию: теоретические результаты, предложения и методы, полученные в рамках проекта, будут апробироваться в лаборатории квантовых коммуникаций Российского Квантового Центра с целью определения их практической осуществимости и технологического потенциала; свою очередь практические результаты, полученные при такой апробации, будут учитываться в дальнейших теоретических исследованиях. Следует, однако, уточнить, что акцент будет сделан на теоретических исследованиях. Помимо упомянутого выше проекта по созданию устройства квантовой криптографии, руководитель и исполнители проекта обладают опытом теоретических и прикладных исследований (в том числе и совместных) в широком спектре направлений квантовых информационных технологий. Руководитель проекта является автором оригинального протокола квантового распределения ключа с псевдослучайными базисами; коллективом были исследованы модели распределения ключей, основанные на машине Тьюринга; предложен новый тип атаки на когерентный однопроходной протокол квантового распределения ключа; разработаны контрмеры против атаки ослеплением детекторов; проанализированы общие вопросы спецификации систем квантового распределения ключа; исследованы энтропийные свойства, устойчивость к декогеренции и общие вопросы динамики открытых квантовых систем; проанализированы платформы для квантовых вычислений на основе многоуровневых квантовых логических элементов (кудитов). Этот опыт и квалификация членов коллектива позволят успешно осуществить настоящий проект.

Ожидаемые результаты
Ожидается, что в результате данного проекта будут получены следующие основные результаты. 1. Будет построена математическая модель системы квантовых коммуникаций, описывающая протокол квантового распределения ключа, приборы приёмника и передатчика, физический канал передачи квантовых состояний, а также процедуры классической обработки результатов распределения ключа. На основе модели будет создано программное обеспечение, потребляющее на входе параметры квантового протокола, классических алгоритмов обработки сырого ключа, физических источников фотонов, детекторов (эффективность, темновой ток и т. д.), физического канала связи (затухание), и выдающее на выходе параметры системы квантовых коммуникаций (в частности, скорость генерации секретного ключа). Модель будет также обобщена на случай протоколов, для которых не доказана секретность. В этом случае модель будет описывать последствия заданной атаки. Этот функционал будет инкорпорирован в программное обеспечение, которое позволит вычислять предельный уровень ошибок, превышение которого делает протокол нестойким против данной атаки. Модель и программное обеспечение будут использованы в дальнейшем для анализа конкретных перспективных протоколов (см. следующие пункты). 2. Будут детально проанализированы атаки на когерентные протоколы (протоколы, в которых используются свойства когерентных состояний света, например когерентный однопроходной протокол, Coherent One Way protocol, COW) [1-4]. Такие протоколы имеют существенные преимущества с точки зрения экспериментальной реализации. Например, они используются в европейском проекте SECOQC [5] по созданию сети квантового распределения ключа. Однако надежность большинства из них строго не доказана (либо доказана в слишком ограничительных с практической точки зрения предположениях) [1-4]. Исследование атак позволяет выявить ограничения на работу таких протоколов, а также указывает пути совершенствования протоколов. Ожидается, что в конечном итоге это исследование приведет к полному теоретическому анализу режима работы таких протоколов и доказательству безусловной надежности (quantum-safe) с учетом неидеальностей практической реализации. Это откроет путь к практическому внедрению когерентных протоколов квантовой криптографии с гарантией надежности. 3. Будет предложен новый протокол квантового распределения ключа, приспособленный для построения высокоскоростных сетей квантового распределения ключа. Будут проведены теоретический анализ секретности нового протокола, а также экспериментальная демонстрация его работы. 4. В протоколах квантового распределения ключа типа BB84 [6] (prepare and measure protocols) отдельные фотонные кубиты не запутаны друг с другом. Однако задача передачи запутанного состояния нескольких фотонов (строки запутанных фотонных кубитов) также исключительно актуальна, как для основанных на запутанности (entanglement-based) протоколов квантовой криптографии (E91 [7] и более сложные), так и, в особенности, для квантовых вычислений (для передачи квантовых данных внутри квантового компьютера и между квантовыми компьютерами). Будут предложены новые протоколы передачи строки запутанных фотонных кубитов и исправления ошибок, возникающих после такой передачи. 5. Полученные теоретические результаты, предложения и методы будут апробированы экспериментально с целью определения их практической осуществимости и технологического потенциала. [1] V. Scarani, H. Bechmann-Pasquinucci, N.J. Cerf, M. Dusek, N. Lutkenhaus, and M. Peev, Review of Modern Physics 81, 1301 (2009). [2] D. Stucki, N. Brunner, N. Gisin, V. Scarani, and H. Zbinden, Applied Physics Letters 87, 194108 (2005). [3] D. Stucki, C. Barreiro, S. Fasel, J.-D. Gautier, O. Gay, N. Gisin, R. Thew, Y. Thoma, P. Trinkler, F. Vannel, and H. Zbinden, Optics Express 17, 13326 (2009). [4] D. Stucki, N. Walenta, F. Vannel, R. T. Thew, N. Gisin, H. Zbinden, S. Gray, C. R. Towery, and S. Ten, New Journal of Physics 11, 075003 (2009). [5] R. Alléaume, C. Branciard, J. Bouda, T. Debuisschert, M. Dianati, N. Gisin, M. Godfrey, P. Grangier, T. Langer, N. Lutkenhaus, C. Monyk, P. Painchault, M. Peev, A. Poppe, Y. Pornin, J. Rarity, R. Renner, G. Ribordy, M. Riguidel, L. Salvail, A. Shields, H. Weinfurter, A. Zeilinger, Theoretical Computer Science 560, 62-81 (2014). [6] C. H. Bennett and G. Brassard, Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, 175, 8 (1984). [7] A.K. Ekert, Phys. Rev. Lett., 67, 661 (1991).


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Из-за стремительного прогресса вычислительных технологий, например, создания квантового компьютера, современные решения для защиты информации находятся под серьёзной угрозой. Технология квантовых коммуникаций позволяет защитить информацию от перехвата, даже если злоумышленник обладает неограниченными вычислительными ресурсами. Защищенность квантовых коммуникаций обеспечивается невозможностью незаметно «подслушать» информацию, передаваемую одиночными частицами света (фотонами). Таким образом, информационная безопасность обеспечивается фундаментальными физическими законами. Ключевым шагом для дальнейшего развития является разработка и анализ теории квантовых коммуникаций. Именно цели теоретического анализа проблем передачи и обработки квантовой информации посвящен настоящий проект. Квантовые коммуникации являются одной из первых технологий, подразумевающих приготовление и управление индивидуальными квантовыми объектами, которая вышла в практическую плоскость. Создание математических моделей систем квантовых коммуникаций позволяет выявлять оптимальные режимы работы системы, которые гарантируют наибольшую скорость генерации квантовых ключей. Данной цели был посвящен первый этап выполнения проекта. Разработанная математическая модель позволила оптимизировать процедуры классической обработки квантовых ключей. Коллективом проекта предложен новый подход к исправлению ошибок в квантовых ключах, основанный на симметризации процедуры слепого исправления ошибок с использованием кодов с низкой плотностью проверки на четность (LDPC-кодов). Основная особенность состоит дополнительном раскрытии бит, у которых в ходе процедуры декодирования появляется максимальная степень неопределенности при прохождении теста отношения правдоподобия (биты с максимальным по модулю LLR). Путем сравнения предложенного метода (с использованием разрабатываемой математической модели квантового распределения ключа) было продемонстрировано значительное преимущество над существующими аналогами. Предлагаемый подход позволил повысить эффективность процедуры исправления ошибок в квантовых ключах (в среднем) на 10%, а также использовать (в среднем) на 30% меньше коммуникационных ресурсов. Данная работа выполнялась в рамках международного сотрудничества с группой Ч. Лима из Сингапурского квантового центра. Результаты работы по созданию нового алгоритма исправления ошибок для систем квантовых коммуникаций были опубликованы в журнале Physical Review Applied. Кроме того, в ходе проекта предложен новый протокол квантовых коммуникаций, использующий изначально предраспределенные случайные последовательности для выбора способа приготовления квантовых состояний в протоколе BB84. Была проанализирована секретность такого протокола против класса атак «человек по середине» с перехватом состояния и дальнейшей его отправкой. Путем математического моделирования было показано, что такой протокол дает более высокие значения скорости генерации квантовых ключей, чем протокол BB84 и ассиметричный протокол BB84, однако лишь для случая использования однофотонного источника. Результаты работы по созданию нового протокола для систем квантовых коммуникаций были опубликованы в журнале Physical Review A. Существенной особенностью данного проекта является тесное взаимодействие с экспериментальной группой «Квантовые коммуникации» Российского квантового центра. Разработанная математическая модель и процедура пост-обработки позволили выявить оптимальный режим работы экспериментального оборудования при разработке гетерогенной сети квантовых коммуникаций. Было получено, что первая линия КРК обеспечивает обмен ключами более чем на 30 км при скорости генерации финального ключа около 0,02 Кбит / с. Вторая линия КРК позволяет генерировать секретные ключи более чем на 15 км, причем скорость генерации финального ключа составляет примерно 0,1 Кбит / с. Отметим, что скорость генерации ключа в парадигме доверенного повторителя ограничена минимальной скоростью генерации во всех используемых линиях. Результаты работы по созданию и экспериментальной демонстрации гетерогенной сети квантовых коммуникаций были опубликованы в журнале Quantum Electronics. В ходе реализации проекта была теоретически исследована и экспериментально продемонстрирована технология квантово-защищенного блокчейна. С использованием технологии квантовых коммуникаций была обеспечена информационно-теоретически стойкая аутентификация пользователей, а также предложен алгоритм консенсуса на основе протокола широковещания. Данная работа принята в печать в журнал Quantum Science and Technology и была освещена в самом авторитетном технологическом издании – MIT Technology Review. Одним из важнейших прикладных результатов проекта являются теоретический анализ и экспериментальная демонстрация квантово-защищенная передача данных в городских условиях. Для этого устройства квантовых коммуникаций были интегрированы в существующую информационную инфраструктуру. Был запущен обмен данными по линии связи с квантовой защитой от «прослушивания». Канал длиной около 25 км настроен между офисами «Сбербанка» на Большой Андроньевской улице и на улице Вавилова, для связи использована городская инфраструктура. Совместная научная статья опубликована в журнале Journal of Russian Laser Research. Небезосновательно считается, что фундаментальные принципы квантовой криптографии сложны для понимания неподготовленными слушателями. Многие из предпринятых попыток популяризации в этой области признаны либо не сильно упрощающими понимание, либо некорректными. Мы предлагаем использовать квантовую криптографию в качестве эффективного учебного инструмента для введения в квантовую физику, поскольку она обладает великолепным методическим потенциалом, чтобы заинтриговать студентов и очертить основы квантовой физики. Разработанную модульную настольную установку по квантовой криптографии можно использовать как для образовательных, так и для исследовательских целей. Проведенные лабораторные и полевые испытания установки продемонстрировали функциональность и надежность разработанной системы.

 

Публикации

1. А. Дуплинский, В. Устимчик, А. Канапин, В. Курочкин и Ю. Курочкин Low loss QKD optical scheme for fast polarization encoding Optics Express, Optics Express Vol. 25, Issue 23, pp. 28886-28897 (2017) (год публикации - 2017).

2. А.В. Дуплинский, Е.О. Киктенко, Н.О. Пожар, М.Н.Ануфриев, Р.П. Ермаков, А.И. Котов, А.В. Бродский, Р.Р. Юнусов, В.Л. Курочкин, А.К. Федоров, Ю.В. Курочкин Quantum-secured data transmission in urban fibre-optic communication lines Journal of Russian Laser Research, 39, 113 (2018) (год публикации - 2017).

3. А.С. Трушечкин, П.А. Трегубов, Е.О. Киктенко, Ю.В. Курочкин, А.К. Федоров Quantum-key-distribution protocol with pseudorandom bases Physical Review A, 97, 012311 (2018) (год публикации - 2018).

4. Е.О. Киктенко, А.С. Трушечкин, Ч. Лим, Ю.В. Курочкин, А.К. Федоров Symmetric Blind Information Reconciliation for Quantum Key Distribution Physical Review Applied, 8, 044017 (2017) (год публикации - 2017).

5. Е.О. Киктенко, Н.О. Пожар, М.Н. Ануфриев, А.С. Трушечкин, Р.Р. Юнусов, Ю.В. Курочкин, А.И. Львовский, А.К. Федоров Quantum-secured blockchain Quantum Science and Technology, - (год публикации - 2018).

6. Е.О.Киктенко, Н.О.Пожар, А.В.Дуплинский, А.А.Канапин, А.С.Соколов, С.С. Воробей, А.В.Миллер, В.Е.Устимчик, М.Н.Ануфриев, А.С.Трушечкин, Р.Р.Юнусов, В.Л.Курочкин, Ю.В.Курочкин, А.К.Федоров Demonstration of a quantum key distribution network in urban fibre-optic communication lines Квантовая электроника, Volume 47, Issue 9, 2017, Pages 798-802 (год публикации - 2017).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Моделирование квантового распределения ключей имеет большое значение для поиска оптимальных параметров экспериментальной квантовой криптографии. В этом этапе проекта было продолжено развитие математической модели квантового распределения ключей в нескольких направлениях: обобщение на случай протоколов с недоказанной секретностью и учет существующих несовершенств технической реализации устройств квантовых коммуникаций. Полученные результаты включают в себя анализ несовершенств при реализации протокола с состояниями-ловушками (decoy-state протокол). В первую очередь речь идет о проблеме различия эффективности детекторов одиночных фотонов при реализации протокола. На основании моделирования был осуществлен подбор экспериментальных параметров для реализации протокола с состояниями-ловушками с использованием модульной установки квантовых коммуникаций. В экспериментальной работе на основе математической модели были получены параметры различных типов импульсов (сигнальных состояний и состояний-ловушек): их интенсивности и вероятности генерации. Кроме того, оптимизированы параметры алгоритмов постобработки. Математическая модель также была использована для расчета оптимальных параметров протокола с состояниями-ловушками в экспериментальной работе, проведенной совместными усилиями участников коллектива, ООО “КуРэйт” и ООО “С-Терра” на площадке ПАО “Ростелеком” (см. https://www.company.rt.ru/press/news/d447308/). Комплекты оборудования ООО “КуРэйт” и «С-Терра СиЭсПи», которые участвовали в тестировании, полностью произведены в России и используют наиболее современные технологические решения как квантового распределения ключей, так и шифрования данных в высоконагруженных каналах. В 2018 году ООО “КуРэйт” и «С-Терра СиЭсПи» провели лабораторное тестирование гибридной квантово-классической системы и обеспечили квантово-защищенную передачу данных со скоростью от 10 Гб/с. Теперь этот комплекс успешно прошел испытания на действующей 60 км ВОЛС компании «Ростелеком», соединяющей дата-центр М10 в Москве и лабораторию университета Сколтех в Сколково. Во-вторых, значительные усилия коллектива были сосредоточены вокруг изучения с протоколов с недоказанной секретностью. Эта работа ведется с точки зрения решения двух задач. Первая задача - обобщение математической модели на случай протоколов с недоказанной секретностью. Вторая задача - конструирование атак на протоколы такого типа. В рамках проекта была предложена атака на протокол Coherent One-Way (COW), которая обобщает известные атаки светоделителем и измерением с определенным исходом. Был явно построен алгоритм этой атаки, который работает с кортежами состояний, так как распределенное кодирование, использующееся в этом протоколе, не позволяет блокировать произвольное состояние. В-третьих, коллективом исследовались и реализовывались совместно с экспериментальными группами новые перспективные схемы и устройства для квантовых коммуникаций. Одним из фундаментальных ограничений квантового распределения ключей является требования к каналу связи. Так в оптическом волокне характерное затухание составляет 0,2 дБ/км, что приводит к ограничению расстояния передачи квантового ключа сигнала. Альтернативой является передача квантового сигнала по открытому пространству. Лабораторные исследования по данной тематике ведутся во всём мире; рекордная дальность (в условиях разреженного горного воздуха) составляет 144 км. Одновременно, как затухание оптического сигнала в вертикальном столбе атмосферы эквивалентно затуханию на расстоянии 10 км. на уровне моря. Эти разработки представляют особый интерес в связи с возможностью установки передатчика или приёмника на искусственный спутник Земли. Таким образом можно осуществлять секретную передачу данных между любыми двумя точками на Земле, расположенными вблизи траектории спутника, независимо от дальности. Работы по спутниковому КРК ведутся в нескольких странах мира; в частности, в КНР был осуществлен запуск первого спутника квантовой связи в 2016 г. По этой причине особенно важно исследовать и развивать передачу квантовых состояний по открытому пространству. В рамках настоящего проекта были предложены и реализованы две установки для квантового распределения ключей через открытое пространство. Одна из них использует интерферометр Маха-Цендера и создана на основе двухпроходной автокомпенсационной схемы, при этом для распределения квантового ключа используется фазовое кодирование. Вторая установка однопроходная, и использует для кодирования информации поляризацию фотонов. Для однопроходной схемы в лабораторных условиях при уровне оптической мощности 0.20 фотона на 1 импульс скорость распределения просеянного ключа составила 170 кбит/с при уровне ошибок 1.4%. Коллективом также исследовалась модель другого важного компонента технологии квантового распределения ключей - квантового генератора случайных чисел. За последние десятилетия были предложены многочисленные схемы квантовых генераторов случайных чисел (КГСЧ), основанных на различных квантовых эффектах, однако большинство современных КГСЧ используют различные методы квантовой оптики. Действительно, излучение полупроводниковых лазерных диодов является очень удобным источником квантовой случайности. Кроме того, оптические КГСЧ могут обеспечивать очень высокие скорости генерации случайных битов. Фактически, в настоящее время значительные исследовательские усилия сосредоточены на увеличении скорости передачи случайных битов путем улучшения существующих оптических схем и/или разработки новых алгоритмов постобработки. Была построена модель квантового генератора случайных чисел на основе вакуумных флуктуаций электромагнитного поля, а также предложены алгоритмы для постобработки результатов измерений. Данная модель была проверена экспериментально.

 

Публикации

1. Курочкин В.Л., Миллер А.В., Родимин В.Е., Воробей С.С., Баланов М.Ю., Курочкин Ю.В.. Quantum Key Distribution For Ultra-Long Distances Based On Microsatellites AIP Conference Proceedings, 2069, 030003 (2019) (год публикации - 2019).

2. Родимин В.Е., Киктенко Е.О., Усова В.В., Пономарев М.Ю., Казиева Т.В., Миллер А.В., Соколов А.С., Канапин А.А. Лосев А.В., Трушечкин А.С. Ануфриев М.Н., Пожар Н.О., Курочкин В.Л., Курочкин Ю.В. Феоров А.К. Modular quantum key distribution setup for research and development applications Journal of Russian Laser Research, - (год публикации - 2019).

3. Родимин В.Е., Усова В.В., Кривошенин Е.Г., Пономарев М.Ю., Казиева Т.В., Шароглазова В.В., Курочкин Ю.В. Modular Platform for Photonic Optical Experiments and Quantum Cryptography 2019 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), - (год публикации - 2019).

4. Шароглазова В.В., Ермаков Р.П., Лосев А.В., Заводиленко В.В., Курочкин В.Л., Курочкин Ю.В. Fast quantum randomness generation from vacuum fluctuation induced phase diffusion between pulses of laser diode SPIE International Society for Optical Engineering, Proceedings Volume 11022, International Conference on Micro- and Nano-Electronics 2018; 110222W (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Носителем информации в практически реализуемых протоколах КРК являются когерентные состояния света. В идеальной модели КРК необходимо точно контролировать приготавливаемые состояния, в соответствии с реализуемым протоколом, например, точно задавать их поляризацию или фазу. Однако на практике полный контроль невозможен, потому что всегда есть некоторые неконтролируемые неидеальности оборудования, технический шум всех экспериментальных оптических и электронных компонент, не абсолютно точная настройка и т.д. Поэтому в процессе приготовления квантовых состояний появляются дополнительные параметры, которые несут дополнительную неучитываемую информацию о приготавливаемом состоянии - так называемые побочные каналы (side channels). Подобные побочные каналы могут быть использованы подслушивателем для незаметного извлечения информации из секретного канала. В связи с этим, возникает проблема учета потенциально возможных побочных каналов, построения математической модели КРК с побочными каналами, расчете влияния побочных каналов на скорость генерации секретного квантового ключа. Так, наиболее распространенная схема при передаче состояний по открытому пространству, например, между спутником и Землей, использует 4 различных лазера, по одному для каждого генерируемого состояния в рамках протокола BB84. Китайский спутник Мо-Цзы имеет ещё 4 дополнительных лазера для генерации состояний-ловушек (протокол decoy-state) [Liao, Sheng-Kai, et al. "Satellite-to-ground quantum key distribution." Nature 549.7670 (2017): 43-47.]. Уязвимость данного подхода состоит в том, что физически каждый лазер уникален, а значит характеристики испускаемого ими светового излучения также могут быть различными. Для того, чтобы убедится в безопасности построенной схемы необходимо сравнить между собой все параметры излучения для всех используемых лазеров, в том числе пространственное, временное и спектральное распределения. Однако, измерения проведенные для распределений по отдельным степеням свободы не позволяют сделать безусловного утверждения о совместном распределении. Была разработана методика, использующая интерферометрические измерения для сравнения степени совпадения испускаемых состояний. Такой подход позволяет напрямую измерять различимость состояний на основе видности интерференционной картины, без проведения измерений для отдельных степеней свободы [A. Duplinskiy, D. Sych, Bounding light source side channels in QKD via Hong-Ou-Mandel Interference https://arxiv.org/abs/1908.04703 (2020)]. Предложенный метод основан на эффекте Хонга-У-Манделя, заключающегося в наблюдении интерференции второго порядка. Два неразличимых одиночных фотона при интерференции на светоделителе буду выходить из него парой в одном из двух портов. Доля событий, в которых фотоны вышли в различных портах светоделителя определяет величину видности интерференции данного типа и позволяет судить о степени различимости волновых функций, а также чистоте состояний. В настоящий момент практически все системы распределения ключей используют слабые когерентные состояния с рандомизированной фазой в качестве альтернативы однофотонным источникам. В отличие от экспериментов Хонга-У-Манделя [Hong, Chong-Ki, Zhe-Yu Ou, and Leonard Mandel, Measurement of subpicosecond time intervals between two photons by interference, Physical review letters 59.18 (1987): 2044.] с однофотонными состояниями, для когерентных состояний не возможен провал статистики совпадений до нуля, однако для слабых когерентных состояний со случайной фазой наблюдается аналог эффекта Хонга-У-Манделя с провалом статистики двойных кликов до уровня 50% при полном наложении друг на друга двух неразличимых импульсов с произвольными фазами [Comandar, L. C., et al., Near perfect mode overlap between independently seeded, gain-switched lasers, Optics express 24.16 (2016): 17849-17859.]. Поскольку количество одновременных кликов в различных плечах светоделителя непосредственно зависит от степени неразличимости состояний, этот параметр является естественной мерой оценки степени совпадения в диапазоне чувствительности однофотонных детекторов. В 2019-2020 гг. развитие математической модели квантового распределения ключей шло в нескольких направлениях. Полученные результаты включают в себя анализ несовершенств при реализации протокола с состояниями-ловушками (decoy-state протокол). В первую очередь речь идет о проблеме различия эффективности детекторов одиночных фотонов при реализации протокола. Эта проблема была недавно рассмотрена в работах двух научных коллективах [см. M.K. Bochkov and A.S. Trushechkin, Security of quantum key distribution with detection-efficiency mismatch in the single-photon case: Tight bounds, Phys. Rev. A 99, 032308 (2019)]. Был выполнен подробный обзор и анализ криптографической стойкости протокола с состояниями-ловушками [А.С. Трушечкин, Е.О. Киктенко, Д.А. Кронберг, А.К. Федоров. Несостоятельность критики метода обманных состояний в квантовой криптографии, Успехи физических наук (2020, в редакции)]. Предложена атака на протокол Coherent One-Way (COW), которая обобщает известные атаки светоделителем и измерением с определенным исходом. Был явно построен алгоритм этой атаки, который работает с кортежами состояний, так как распределенное кодирование, использующееся в этом протоколе, не позволяет блокировать произвольное состояние. Была вычислена информация перехватчика при применении данной атаки в условиях произвольного затухания и произвольной исходной интенсивности состояний на передающей стороне. Также были найдены оптимальные значения интенсивности состояний на передающей стороне для каждого показателя затухания в предположении, что перехватчик применять эту атаку. Учет данной атаки позволит построить более точную математическую модель для функционирования данного протокола, а также получить корректировку оценки предельной дальности и скорости генерации ключа [D.A. Kronberg, A.S. Nikolaeva, Y.V. Kurochkin, and A.K. Fedorov, Quantum soft filtering in the coherent one-way protocol for quantum key distribution, Physical Review A 101, 032334 (2020)]. В ходе реализации проекта коллективом были исследованы и реализованы совместно с экспериментальными группами новые перспективные схемы и устройства для квантовых коммуникаций. Были проведены эксперименты на двух установках для квантового распределения ключей через открытое пространство. Одна из них представляет собой интерферометр Маха-Цендера и создана на основе волоконной двухпроходной автокомпенсационной схемы, при этом для распределения квантового ключа используется фазовое кодирование. Вторая установка однопроходная, и использует для кодирования информации поляризацию фотонов. [V.L. Kurochkin, A.V. Miller, V.E. Rodimin, S.S. Vorobey, M.Y. Balanov, Y.V. Kurochkin, Quantum Key Distribution For Ultra-Long Distances Based On Microsatellites, AIP Conference Proceedings (2019)] Было проведено исследование квантового генератора случайных чисел (КГСЧ), основанного на интерференции лазерных импульсов. Была предложена теоретическая модель, позволяющая учесть соотношение квантовых и классических шумов, и разработан протокол защиты от потенциального вмешательства противника в работу КГСЧ. Был продемонстрирован простой и эффективный метод извлечения квантовых шумов из интерференции лазерных импульсов. В качестве основной реализации была предложена схема с тремя компараторами, один из которых осуществляет непрерывное сканирование плотности распределения интерференционного сигнала, а два других используются для извлечения случайных бит, имеющих гарантированно квантовую природу [R. Shakhovoy, D. Sych, V. Sharoglazova, A. Udaltsov, A. Fedorov and Y. Kurochkin, "Quantum noise extraction from the interference of laser pulses in optical quantum random number generator," Opt. Express, vol. 28, pp. 6209-6224, 2020.].

 

Публикации

1. А. Дуплинский, Д. Сыч Poster: Evaluating decoy state distinguishability via Hong-Ou-Mandel interference Постер конференции ICQT 2019, ICQT 2019, постер (год публикации - 2019).

2. А. Дуплинский, Д. Сыч Poster: Bounding side channels in QKD via Hong-Ou-Mandel interference постер конференции QCRYPT 2019, QCrypt2019: 9th International Conference on Quantum Cryptography, held in Montreal, Canada, 26–30 August, poster (год публикации - 2019).

3. А. Дуплинский, О. Фатьянов, И. Павлов, А.Федоров , В. Курочкин, Ю. Курочкин Poster: Switch-based quantum network for the cost reduction of QKD QCrypt2019, QCrypt2019: 9th International Conference on Quantum Cryptography, held in Montreal, Canada, 26–30 August, poster (год публикации - 2019).

4. Г.М. Крылов, О.В. Фатьянов, А.В. Дуплинский Влияние стыков двулучепреломляющего волокна на дрейф видности в интерферометре Маха – Цендера Квантовая электроника/Quantum electronics, QUANTUM ELECTRON, 2020, 50 (5), 447–453 (год публикации - 2020).

5. Д.А. Кронберг, А.С. Николаева, Ю.В. Курочкин и А.К. Федоров Quantum soft filtering for the improved security analysis of the coherent one-way QKD protocol Physical Review A, 101, 032334 (2020) (год публикации - 2020).

6. Р. Шаховой, Д. Сыч, В. Шароглазова, А. Удальцов, А.Федоров, Ю.Курочкин Quantum noise extraction from the interference of laser pulses in optical quantum random number generator Optics Express, Vol. 28, No.5, 2 March 2020, pp. 6209-6224 (год публикации - 2020).

7. Ю.Курочкин, В.Родимин, А. Дуплинский, О.Фатьянов, И.Павлов, А.Федоров, В.Л.Курочкин Доклад на конференции: QKD networks with active routing ICNMP-2020, Доклад на конференции, стр 39, 2nd INTERNATIONAL CONFERENCE ON NANOPHOTONICS, METAMATERIALS AND PHOTOVOLTAICS (ICNMP-2020) in Trinidad (Cuba) from the 25th to the 31st of January 2020 (год публикации - 2020).


Возможность практического использования результатов
Технология квантовых коммуникаций за последнее время прошла длинный путь от фундаментальных научных исследований (1984), экспериментальных разработок (1989) до технологии, прошедшей испытания в реальных условиях (2000е), технологии, показавшей свою необходимость для обеспечения высокого уровня защиты передаваемой информации. За последние несколько лет произошел качественный скачок от лабораторных исследований до практического применения решений в реальных бизнес-задачах. Рынок квантовых коммуникаций находится в начальной стадии жизненного цикла и активное развитие планируется в 2020-2030 гг. Основной импульс развития всей области придает прогресс в таких областях, как квантовые вычисления и квантовые компьютеры. Полученные в ходе проекта научные результаты могут быть использованы для развития систем квантовых коммуникаций и создания нового поколения продуктов с информационной безопасностью, которая гарантируется законами физики. Результаты проекта формируют значительный научно-технологический задел для развития данного направления в РФ и создания конкурентоспособного решения для международного рынка.