Необходимы новые методы шифрования, потому что компьютеры, достаточно мощные, чтобы взламывать сегодняшние алгоритмические коды шифрования, вероятно, будут доступны в ближайшие десятилетия или два. Вместо того, чтобы полагаться на математику, квантовое распределение ключей использует квантовые свойства света, такие как поляризация, для кодирования и отправки случайного ключа, необходимого для дешифрования закодированных данных. Этот метод исключительно безопасен, потому что любое стороннее вторжение обнаруживается.
В журнале Оптического общества (OSA) Optics Letters исследователи из Университета Падуи в Италии сообщают, что их полностью оптоволоконное устройство может переключать поляризацию света более 1 миллиарда раз в секунду. Устройство также является самокомпенсирующимся, что делает его нечувствительным к температуре и другим изменениям окружающей среды.
«Ожидается, что квантовое распределение ключей окажет глубокое влияние на конфиденциальность и безопасность граждан», – сказал Джузеппе Валлоне, возглавлявший это исследование в исследовательской группе QuantumFuture, координируемой соавтором Паоло Виллорези. «Наша схема упрощает квантовое распределение ключей для связи в свободном пространстве – например, со спутников на Землю или между движущимися терминалами – что необходимо для создания глобальной квантовой сети."
Развитие глобальной сети
Поскольку квантовое шифрование плохо работает в оптоволоконных сетях большой протяженности, в настоящее время стремятся разработать спутниковую сеть квантовой связи, чтобы связать различные наземные сети квантового шифрования по всему миру.
Хотя различные свойства света могут использоваться для создания квантовых состояний для квантового шифрования, поляризация особенно хорошо подходит для линий связи в свободном пространстве, потому что она не нарушается атмосферой, а декодирование в приемнике может выполняться без сложной задачи по воронке данные в одномодовое волокно.
«Наша цель – разработать схему квантового шифрования для использования между спутником и землей, где ключи генерируются на орбите», – сказал Валлоне. «Однако сегодняшние кодеры поляризации не идеальны для использования в космосе, потому что они нестабильны, дороги и сложны. Они могут даже показывать побочные каналы, которые подрывают безопасность протокола."
Быстрое и стабильное кодирование поляризации
Новый датчик поляризации, который исследователи называют POGNAC для поляризации SaGNAC, может быстро изменять поляризацию входящего лазерного света благодаря волоконно-петлевому интерферометру Саньяка. Эта установка разделяет свет на два луча, поляризации которых расположены под прямым углом друг к другу. Затем лучи проходят через волоконную петлю по часовой стрелке и против часовой стрелки. Текущие компоненты могут поместиться в корпус размером 15 х 5 х 5 сантиметров, с возможностью дальнейшей миниатюризации, если будут включены более мелкие компоненты.
Внутри волоконной петли исследователи использовали коммерчески доступный электрооптический модулятор, чтобы изменить поляризацию и создать квантовые состояния, необходимые для квантового распределения ключей. Поскольку компоненты по часовой стрелке и против часовой стрелки поступают в модулятор в разное время, каждая из них может модулироваться независимо.
Модуляторы используют приложенное напряжение для изменения оптической фазы.
Однако абсолютная величина фазового сдвига зависит от многих параметров, которые меняются со временем. «В POGNAC имеет значение только относительный сдвиг между двумя компонентами поляризации – этот относительный фазовый сдвиг соответствует изменению выходной поляризации – в то время как сдвиги, возникающие из-за изменений температуры и других факторов, самокорректируются», – сказал Валлоне. "Это делает POGNAC очень стабильным и устраняет дрейф поляризации, который повлиял на другие устройства."
Исследователи протестировали свое новое устройство, измерив поляризацию квантовых состояний, генерируемых POGNAC, и сравнив их с ожидаемыми значениями. Они измерили внутреннюю квантовую частоту ошибок по битам (QBER) на уровне 0.2%, что значительно ниже 1-2% QBER типичных систем квантового распределения ключей.
«Наши результаты показывают, что данные могут быть закодированы с использованием поляризации света простым и эффективным способом», – сказал Валлоне. "Нам удалось добиться этого, используя только коммерчески доступные компоненты."
Исследователи продолжают совершенствовать свой подход и планируют провести дальнейшие тесты, чтобы увидеть, как POGNAC работает при кодировании квантовых ключей для шифрования.