Петербургские ученые придумали новый способ организации защищенного обмена данными, основанный на использовании законов квантовой физики. Перспективное изобретение в будущем позволит полностью забыть об угрозе потери важной информации и хакерских атаках.

Группе ученых из Университета ИТМО удалось существенно увеличить дальность отправки однофотонных сигналов в оптическом канале связи и продемонстрировать результаты разработок в экспериментальном образце устройства квантовой коммуникации. Причем петербургские физики обошли своих зарубежных коллег в скорости обмена данными почти в 10 раз и обеспечили пересылку квантового сигнала по оптическому волокну на расстояния более 250 км.

Кодировка светом

В большинстве современных информационных сетей отправка и получение данных происходят путем пересылки световых импульсов  по оптическому волокну. Вспышка равна единице, а ее отсутствие – нулю. Таким образом, происходит стандартная, но, как оказалось, далеко не идеальная передача данных. Сегодня существуют десятки различных способов взлома таких систем. При этом и получатель, и отправитель могут даже не догадываться, что их сообщение было перехвачено. В отличие от классических систем связи, кодирование и передача информации осуществляются с помощью квантов света – одиночных фотонов, обладающих уникальными свойствами.

Используемые в квантовой связи одиночные фотоны представляют собой неделимые минимальные порции световой энергии. Если подобная посылка каким-либо образом будет извлечена из потока данных злоумышленником, она необратимо изменяется. Поэтому легитимные пользователи моментально узнают о любом вторжении в канал при попытке перехвата однофотонного сигнала. Таким образом, кодирование, основанное на фундаментальных законах квантовой физики, в будущем позволит сделать передачу данных в оптичес­ких сетях полностью неуязвимой для хакерских атак.  "Фотон нельзя ни поделить, ни скопировать. Вырванный из потока фотон становится для легитимного пользователя подтверждением попытки взлома, что позволяет принять оперативные меры защиты. Самое главное, что снять данные с похищенной частицы без ключа идентификатора невозможно", – рассказал Артур Глейм, руководитель лаборатории квантовой информатики Международного института фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО. В успехе разработки важную роль сыграла новая технология генерации квантовых битов, разработанная исследователями из Лаборатории квантовой информатики Университета ИТМО при поддержке коллег из университета Хериот-Ватт в Эдинбурге (Шотландия). Еще одном важным результатом, полученным в работе, является достижение высокой стабильности сигнала в системе.

Перспективы

Продемонстрированная учеными возможность устойчивой передачи квантового сигнала по оптическим линиям связи на дальние расстояния – основа для последующей разработки и внедрения систем квантовой криптографии (наука о методах обеспечения конфиденциальности), с помощью которых в будущем будут осуществляться шифрование и защищенная передача данных.

"Для рассылки квантовых бит мы используем так называемые боковые частоты. В частности, это ведет к существенному упрощению конструкции устройства, высокой устойчивости к внешним воздействиям и большой пропускной способности квантового канала связи"? - сказал Артур Глейм.

"В перспективе этот подход способен обеспечить свободное сосуществование многих потоков данных с отличными друг от друга длинами волн в одном оптоволоконном кабеле. Более того, эти потоки могут подаваться прямо на существующие оптоволоконные линии совместно с традиционными коммуникациями", – подчеркнул Роберт Коллинз, научный сотрудник института фотоники и квантовых наук школы физико-технических наук университета Хериот-­Ватт.

Большое будущее

Ранее отечественные системы квантовой коммуникации не позволяли осуществлять эффективный обмен квантовой информацией на значительные расстояния без разрушения сигнала. Команда петербургских ученых вела работу над проектом с 2008 г., начав с фундаментальных основ и выработав уникальные подходы к решению проблем квантовой передачи данных. Успехи ученых уже привлекли внимание крупных компаний, банков, оборонных предприятий. В этом нет ничего удивительного, так как объемы передаваемых данных год от года возрастают и в защите своей информации нуждаются все.

Рассмотрим, например, финансовую сферу: каналы "банк-банкомат" и другие линии связи, по которым проходят денежные операции, нуждаются в особой степени защиты. Регулярно хакеры  всего мира пытаются заглянуть в чужой цифровой кошелек, и банковские структуры вынуждены тратить огромные деньги на меры противодействия. Внедрение квантовых технологий позволило бы существенно сократить эти расходы, при этом достигнув лучшего уровня защищенности. Теперь перед разработчиками стоит задача создания полноценной системы безопасной квантовой связи и подготовки стандартов, которые позволят осуществить ее внедрение в сотрудничестве с государственными и коммерческими структурами.