Ученые Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС», МФТИ и РКЦ разработали уникальную архитектуру квантовой сети, которая позволяет на 28% низить стоимость ее развертывания и обслуживания за счет использования оптических переключателей и уменьшения количества устройств квантового распределения ключей. Результаты работы опубликованы в научном журнале Optics Express.
Квантовое распределение ключей (КРК) — метод передачи секретного ключа между двумя сторонами, безопасность которого основана на фундаментальных законах квантовой физики. КРК позволяет создать общий случайный ключ, который известен только передающей и принимающей сторонам, и использовать его для шифрования и расшифровывания сообщений. Важным и уникальным свойством квантового распределения ключей является возможность физически обнаружить, по возросшему уровню квантовых ошибок или другим аномалиям, присутствие третьей стороны, пытающейся получить информацию о ключе.
Создание квантовых сетей связано с рядом проблем: высокой стоимостью устройств КРК и необходимостью обеспечения разумных скоростей передачи секретных ключей между общающимися субъектами. Максимальная скорость передачи сигнала зависит от длины линии и параметров КРК-установки. Она будет «разумной», если будет больше или равна скорости расходования ключа потребителем. В противном случае ключ необходимой длины будет не успевать накапливаться, и передача шифрованных данных будет прерываться на «паузу».
Группа ученых НТИ НИТУ «МИСиС», МФТИ и РКЦ предложила решить эти затруднения в развитии сетей КРК за счет использования оптических коммутаторов существующих оптоволоконных сетей, что позволит сократить количество используемых устройств КРК.
«Идея использования коммутаторов заключается в том, что оптические каналы существующей телекоммуникационной структуры очень разнородны с точки зрения потерь, поэтому скорость генерации ключей сильно различается в разных сегментах. Поэтому, по крайней мере, в случае конфигурации магистральной квантовой сети, нет смысла организовывать непрерывную генерацию ключей на всех участках — скорость генерации ключей ограничена самым медленным каналом. Таким образом, использование оптических переключателей в сегментах с низкими потерями может помочь значительно снизить общую стоимость квантовой сети, в то время как скорость генерации секретного ключа остается достаточно высокой», — рассказал соавтор исследования, руководитель лаборатории теории квантовых коммуникаций Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС» Андрей Тайдуганов.
Исследователи в своей работе представили архитектуру сети КРК, которая основана на использовании оптических переключателей и сокращении количества передающих и в особенности приемных устройств, в которых используются однофотонные детекторы. Они дали соответствующую модификацию сетевого протокола сети, использовав реалистичную протестированную в лабораторных условиях модель работы протокола. С помощью данной модели был произведен расчет скоростей генерации ключа для каждого участка проектируемой магистральной квантовой сети протяженностью 670 км между Москвой и Удомлей (Тверская область), и проведена оптимизация конфигурации сети для обеспечения ее максимальной производительности. В качестве прототипа была собрана сеть из четырех узлов с одним переключателем и разработан сетевой протокол. Работа этой небольшой сети была протестирована в лабораторных условиях: проведено сравнение полученных экспериментальных результатов с предсказаниями разработанной теоретической модели, которое продемонстрировало ее валидность.
Разработчики исследовали возможные схемы сети с различным размещением устройств и предложили несколько конфигураций, которые обеспечивают снижение затрат на 28% на развертывание и обслуживание всей системы без существенной потери общей скорости передачи информации.
