Миниатюризация систем квантового распределения ключей с помощью фотонных интегральных схем, часть 2: Сценарии применения
Начальник отдела научных исследований ООО «СМАРТС-Кванттелеком»
В первой части статьи мы обсуждали вопрос о потенциале применения фотонных интегральных схем (ФИС) для миниатюризации систем квантового распределения ключей (КРК) с точки зрения оптических материалов. Прежде чем перейти к вопросу о конкретных реализациях, стоит остановиться на некоторых рассматриваемых сейчас экспертами сценариях применения этой технологии в квантовом интернете.
В конце 2023 года Росстандартом были утверждены первые четыре предварительных национальных стандарта в области квантовых коммуникаций, включая «Квантовые коммуникации. Термины и определения» и «Квантовый интернет вещей. Термины и определения». Согласно им:
Квантовый интернет — глобальная информационная квантовая сеть, в узлах которой формируется, обрабатывается и хранится квантовая информация, и узлы которой соединены квантовыми каналами.
«Квантовый интернет вещей — интернет вещей с использованием квантовых технологий».
Квантовый интернет в перспективе рассматривается как глобальная сеть, объединяющая распределенные квантовые вычислители, сенсоры и обеспечивающая защищённую связь между абонентами с помощью КРК. На текущей, первой, стадии развития его функция в том, чтобы обеспечить защиту каналов связи между абонентами (например, каналов управления беспилотными объектами) с помощью симметричных ключей шифрования, сгенерированных и распределенных квантовыми методами.
Для этого на каждом узле потребуется разместить модули системы КРК и обеспечить их связь по квантовому каналу. Учитывая, что многие узлы квантового интернета вещей будут мобильными объектами, этот канал должен быть не оптоволоконным, а воздушным (или гибридным).
Поскольку миниатюризация КРК для размещения на подвижных объектах (особенно летающих) является непростой задачей, можно рассмотреть промежуточную ступень эволюции квантового интернета вещей, основанную на применении квантовозащищенных ключей — секретных ключей, защита которых при передаче или хранении осуществляется с использованием квантового ключа (ключей).
В этом сценарии квантовые ключи, непосредственно генерируемые системами КРК, формируются только между связанными квантовыми каналами стационарными узлами сети. После этого полученные ключи помещаются в защищённые криптоконтейнеры (формируемые также с помощью «сервисных» квантовых ключей) и передаются абонентам по обычным каналам связи.
В этом случае квантовая защита при распределении ключей не достигается, но остаются другие преимущества, такие как автоматизация генерации и доставки ключей, более частое их обновление и высокое качество (в случае применения в КРК квантовых генераторов истинно случайных чисел). Более подробно данный сценарий рассматривается в предварительных национальных стандартах «Квантовые коммуникации. Общие положения» и «Квантовый интернет вещей. Общие положения». Несколько перспективных сценариев представлено на Рисунке 1.
Рисунок 1 — Варианты построения сети квантового интернета вещей с КРК
Вариант 1: мобильный узел производит со стационарной рабочей станцией обмен квантовыми ключами, которые затем используются для защищённого обмена данными между ними. В качестве примера можно рассмотреть носимую человеком «Систему КРК в кармане» и квантово-защищённый банкомат. Другим примером служит эксперимент, который проводился в 2017 году в Канаде: в нём учёные осуществили сеанс КРК между летящим самолётом и наземной станцией [1].
Вариант 2: подвижная рабочая станция обменивается квантовыми ключами с несколькими летающими мобильными узлами. Аналогично варианту 1, ключи используются для защищённого обмена данными с квазистационарной (передвижной, но находящейся в состоянии остановки) рабочей станцией. Пример: беспилотный грузовик выступает в качестве передвижного центра управления роем летающих дронов, осуществляющих аэроразведку. Дроны периодически возвращаются к грузовику для подзарядки и обновления ключей. Научные группы в Китае и США уже продемонстрировали первые эксперименты с обменом квантовыми ключами между летающим дроном и станцией оператора на расстояния до 200 метров [2].
Вариант 3: летающий мобильный узел обменивается квантовыми ключами с несколькими квазистационарными узлами, доставляя на них квантовый мастер-ключ, общий для всей сети. После этого все узлы обмениваются между собой данными, зашифрованными с помощью мастер-ключа. Таким образом, дрон используется как доверенный узел связи при обмене квантовыми ключами между несколькими подвижными станциями. Пример: дрон подлетает к беспилотному грузовику, обменивается с ним квантовым ключом К1, затем перемещается ко второму беспилотному грузовику и обменивается с ним квантовым ключом К2. Зашифровав хранящийся в памяти дрона ключ К1 с помощью сессионного ключа К2, дрон передаёт его грузовику. В результате оба грузовика смогут организовать защищённый обмен данными с применением К1, как если бы они были соединены квантовым каналом.
Вариант 4: аналогично варианту 3, но с использованием стационарных узлов. Пример: беспилотный грузовик обменивается данными с элементами умной дороги, объединенными в сеть. Квантовые ключи могут применяться для защиты канала управления и при поддержании сеанса видеосвязи с установленных на грузовик камер [3]. Другим примером может служить обмен квантовыми ключами и зашифрованной ими информацией с помощью спутника. Такая возможность была продемонстрирована Китаем: первый в мире спутник квантовой связи «Мо-Цзы» (Micius) соединил обсерватории в Вене и Пекине [4].
Вариант 5: подвижные абоненты по цепочке обмениваются квантовыми ключами и, затем, данными. Пример: обмен данными между беспилотными автопоездами, следующими колонной друг за другом.
Все вышеперечисленные примеры объединяет то, что для их реализации требуется единый набор технологий: телескопические системы для передачи квантовых сигналов по воздуху, новые архитектуры безопасности сетей интернета вещей на основе симметричных ключей (сейчас в IoT применяются асимметричные схемы), и главное — миниатюризация систем КРК, особенно для размещения на летающих объектах. В следующий раз мы побеседуем о том, как могут выглядеть такие миниатюрные системы КРК.
Источники:
https://arxiv.org/abs/1612.06396
https://arxiv.org/abs/2302.14012
https://www.mdpi.com/2624–8921/5/4/86
https://www.iqoqi-vienna.at/research/zeilinger-group/satellite-based-quantum-communication
