Самые актуальные исследования в области квантовых коммуникаций: важные шаги и вызовы
Научный сотрудник ООО «СМАРТС-Кванттелеком»
В эпоху стремительного развития квантовых технологий и их интеграции в современные телекоммуникационные сети крайне важно быть в курсе последних достижений и вызовов, стоящих перед учеными и инженерами.
Исследования в области квантового распределения ключей (КРК) и квантовых сетей продолжают открывать новые горизонты, обещая высокий уровень безопасности и эффективности в передаче данных на большие расстояния.
В этом дайджесте представлены недавние работы, которые не только иллюстрируют текущие достижения в области квантовых коммуникаций, но и подчеркивают важность решения возникающих проблем для создания надежной и безопасной квантовой инфраструктуры:
• Когерентные квантовые коммуникации в национальной телекоммуникационной инфраструктуре
Аффилиации:
— Toshiba Europe Limited (Кембридж, Великобритания);
— Poznan Supercomputing and Networking Center (Познань, Польша);
— GÉANT Vereniging (Амстердам, Нидерланды);
— Anglia Ruskin University (Кембридж, Великобритания).
Аннотация:
Когерентные квантовые коммуникации, необходимые для построения квантового интернета на основе фазового кодирования, требуют наличия оптической когерентности между узлами. Проблемы, вроде сохранения оптической когерентности и интеграции передовых детекторов одиночных фотонов, затрудняют внедрение в существующие телекоммуникационные сети.
В данном исследовании представлены инновационные подходы к архитектуре и методам когерентных квантовых коммуникаций, что стало возможным благодаря их успешной интеграции в коммерческую телекоммуникационную инфраструктуру между Франкфуртом и Келем (Германия). С использованием протокола twin-field (TF) КРК удалось достичь скорости генерации ключа 110 бит/с на расстоянии 254 км. Система обладает свойствами независимости от измерительных устройств и не требует криогенного охлаждения детекторов. Таким образом, авторы демонстрируют наибольшую дистанцию КРК, развернутого в телекоммуникационной инфраструктуре, подтверждая возможность построения квантового интернета на основе фазового кодирования.
Результаты исследования показывают, что система может поддерживать высокую степень когерентности между квантовыми состояниями, что необходимо для эффективного выполнения фазовых квантовых протоколов и минимизации ошибок. Система достигает устойчивой высокой видности оптической интерференции между сигналами.
• Квантовые повторители с коррекцией памяти и адаптивной идентификацией синдромов
Аффилиации:
— Майнцский университет имени Иоганна Гутенберга (Майнц, Германия).
Аннотация:
Основной задачей при создании квантовых повторителей для передачи информации на большие расстояния является устойчивость к ошибкам и декогеренции. В данной работе рассматривается интеграция кодирования квантовой памяти в анализ криптографической стойкости для квантовых повторителей малого и среднего масштабов.
Представлена модель проверочной матрицы и рассчитана устойчивость стабилизирующих кодов для одиннадцати кубитов, получены аналитические выражения для эффективных вероятностей логических ошибок. В экспериментально значимых режимах работы код из пяти кубитов показывает наилучшие результаты, либо превосходя более сложные и большие коды, либо требуя меньше ресурсов.
Исследование показало, что код из пяти кубитов значительно увеличивает время когерентности памяти, снижая процент фазового переворота с 1 до 0,001. Это уменьшает влияние ошибок при измерении и несовершенствах в приготовлении квантовых состояний.
В результате, такой квантовый повторитель может генерировать квантовые ключи в тех режимах работы, где прочие повторители не справляются с задачей. В повторителе из восьми сегментов возможно достижение ненулевых скоростей генерации ключа на расстояниях до 2000 км при времени хранения памяти 10 секунд или меньше.
• Квантово-защищенные IPsec VPN туннели на 46 км развернутого волокна
Аффилиации:
— JPMorgan Chase & Co. (Сингапур).
Аннотация:
Впервые продемонстрированы квантово-защищенные высокоскоростные IPsec туннели с использованием технологии КРК. Эксперимент был проведен между двумя дата-центрами JPMorgan Chase на 46 км развернутого телекоммуникационного волокна в Сингапуре, с непрерывной работой в течение 45 дней. Были протестированы две конфигурации VPN-туннелей:
конфигурация VPN-туннеля с квантовой защитой и максимальной пропускной способностью 80 Гбит/с;
многотуннельная конфигурация VPN, демонстрирующая 12 VPN-туннелей с квантовой защитой и пропускной способностью 8,39 Гбит/с на туннель, что в совокупности составляет 99,62 Гбит/с для всех туннелей.
Для системы КРК была достигнута средняя скорость генерации ключа 7,4 кбит/с (около 29 ключей AES-256 в секунду), средний коэффициент квантовых ошибок QBER составил 0,8%. Использовался API ETSI-QKD-014 для обмена сгенерированными ключами между сервером управления ключами в системе КРК и межсетевыми экранами для шифрования и расшифровки данных. Данные шифровались квантово-защищенными ключами с использованием шифросхемы AES-256-GCM с частотой обновления ключей раз в 120 секунд без влияния на подключение и производительность VPN-туннелей.
Результаты исследования показывают, что такая система КРК обладает высокой стабильностью и производительностью, что подтверждается измерениями на протяжении 45 дней. Эксперимент также демонстрирует, что внедрение КРК в существующую телекоммуникационную инфраструктуру значительно повышает безопасность сети, обеспечивая защиту данных от классических и квантовых атак.
• Устройство для квантового распределения ключей с пассивным приготовлением состояний
Аффилиации:
— Quantum Research Center, Technology Innovation Institute (Абу-Даби, ОАЭ);
— Дюссельдорфский университет имени Генриха Гейне (Дюссельдорф, Германия).
Аннотация:
Системы КРК на основе подхода «приготовление-детектирование» требуют тщательного приготовления квантовых состояний в передающем устройстве, что значительно усложняет и удорожает систему.
Криптографическая стойкость таких систем зависит от правильной работы высокоскоростных квантовых генераторов случайных чисел и высококачественной модуляции слабых оптических сигналов, защищенных от различных атак на побочные каналы.
Подход к полностью пассивному приготовлению состояний может решить эти проблемы, объединяя приготовление состояний и генератор случайных чисел в одном устройстве. Используя пары оптических импульсов от лазерного диода в режиме переключения усиления в качестве сигнальных состояний, можно существенно упростить устройство передатчика.
В работе продемонстрирован такой упрощенный передатчик, встроенный в систему КРК с волоконным каналом 10 км. Продемонстрирована скорость генерации ключа 110 бит/с, что достаточно для практического развертывания в городских квантовых сетях.
• Уязвимости системы квантового распределения ключей на протоколе COW
Аффилиации:
— Университет Лидса (Лидс, Великобритания);
— Университет Виго (Виго, Испания);
— Майнцский университет имени Иоганна Гутенберга (Майнц, Германия).
Аннотация:
Недавние исследования показали, что скорость генерации стойкого ключа системы КРК на протоколе COW масштабируется квадратично с коэффициентом пропускания, что делает этот протокол непригодным для передачи данных на большие расстояния. Это было доказано с помощью так называемой атаки без ошибок, основанной на однозначном различении состояний (USD атака).
В данной работе исследуются возможность и эффективность атак без ошибок на COW КРК с использованием современных технологий. Для этого предлагается два практических USD-приемника, которые можно реализовать с помощью пассивных линейных оптических элементов, операций смещения в фазовом пространстве и пороговых однофотонных детекторов. Первый приемник оптимален с точки зрения вероятности успеха, в то время как второй может наложить более строгие ограничения на производительность протокола при использовании неисправного оборудования для перехвата.
Результаты показывают, что атаки без ошибок могут нарушить стойкость COW КРК даже при использовании реалистичных экспериментальных условий. Исследование включает модели и аналитические выражения для вероятностей ошибок и эффективности квантовых систем, что подтверждает теоретическую уязвимость современных систем COW КРК перед такими атаками.
