Квантовая криптография в контексте лазерной физики
Квантовая криптография основывается на фундаментальных положениях квантовой механики, в частности на принципе неопределённости Гейзенберга и квантовой неделимости фотонов. В отличие от классических криптографических методов, устойчивость которых обеспечивается математической сложностью задачи, квантовая криптография предоставляет абсолютную безопасность, основанную на законах природы.
Основной протокол квантовой криптографии — BB84 — был предложен Чарльзом Беннетом и Жилем Брассаром в 1984 году. Он использует поляризационные состояния одиночных фотонов для кодирования информации. Любая попытка перехвата или измерения квантового состояния изменяет его, что делает перехват информации обнаруживаемым.
Квантовая передача ключей (Quantum Key Distribution, QKD) — это процесс безопасного распределения шифровальных ключей между двумя сторонами, обычно обозначаемыми как Алиса и Боб. Основной физический ресурс QKD — слабые когерентные импульсы лазерного света, содержащие в среднем один или менее одного фотона.
Лазеры, используемые в системах QKD, должны обладать рядом критически важных характеристик:
Ключевой задачей является подавление многократных фотонных импульсов, так как именно они потенциально уязвимы к атакам типа “Photon Number Splitting” (PNS-атаки). Для этого используются аттенюаторы, понижающие среднее число фотонов в каждом импульсе до величины порядка 0.1.
Лазеры являются основными источниками излучения в системах QKD. Обычно применяются диодные лазеры с длинами волн в диапазоне 1310 нм или 1550 нм — это стандартные телекоммуникационные окна, где оптические волокна имеют минимальные потери.
Параметры лазера, влияющие на эффективность и безопасность QKD:
Лазеры также применяются для синхронизации, формирования временных окон и компенсации дисперсии в линиях связи.
Протокол BB84 использует четыре поляризационных состояния:
Алиса случайным образом выбирает базис и состояние и отправляет соответствующий фотон. Боб, также случайно выбирая базис, измеряет поляризацию. После серии посылок происходит классическая коммуникация: Алиса и Боб сверяют использованные базисы, отбрасывая несовпавшие, и получают общую битовую строку — секретный ключ.
Использование оптически стабильных лазеров обеспечивает минимальную дрейфующую фазу, необходимую для точного воспроизведения поляризационных состояний.
Идеальным источником для QKD является истинный источник одиночных фотонов. Однако в практике применяются лазеры в сочетании с сильной аттенюацией, что даёт псевдо-одиночные фотоны.
Другие подходы включают:
Однако лазерные импульсы остаются наиболее технологически удобным решением в системах реального времени и коммерческих QKD-продуктах.
Протоколы вроде DPS-QKD (Differential Phase Shift) и Coherent One-Way (COW) используют фазовые сдвиги между последовательными лазерными импульсами. Такие системы требуют высокостабильных интерферометров и высокооднородных фазовых модуляторов, работающих в гигагерцовом диапазоне.
В этих системах роль лазеров усложняется: помимо генерации фотонных импульсов, они должны обладать высокой корреляцией фазы между импульсами, что требует активной стабилизации и температурного контроля.
На стороне приёмника квантовой криптосистемы критически важным элементом является однофотонный детектор (SPD). Наиболее распространены:
Лазерные импульсы должны быть согласованы по времени с временными окнами детектора, чтобы минимизировать уровень ложных срабатываний. Для этого применяются лазерные синхронизационные сигналы или классические опорные каналы.
Несмотря на теоретическую неуязвимость, практическая реализация QKD может быть подвержена атакам:
Для защиты применяются изоляторы, фильтры, контроль интенсивности отражений и активная диагностика параметров лазерного излучения.
Современные системы квантовой криптографии могут работать совместно с классическими каналами связи благодаря мультиплексированию по длине волны (WDM). Лазеры различных длин волн используются для передачи квантового сигнала, синхронизации и классической передачи.
Фильтрация и управление спектром излучения лазеров критично для минимизации взаимных помех и снижения кросс-тока между каналами. Спектральная избирательность обеспечивается с помощью дифракционных решёток, фильтров на основе Фабри-Перо и волоконных Брэгговских решёток.
Будущее квантовой криптографии связано с:
Внедрение лазеров с узкой шириной линии, малым фазовым шумом и высокой частотой повторения позволит расширить масштабы применения квантовой криптографии от защищённых банковских линий до глобальных сетей.