ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ КВАНТОВАЯ КРИПТОСИСТЕМА

Изобретение относится к квантовым криптосистемам и может быть использовано для формирования на основе специфических свойств модулированных по поляризации одиночных фотонов секретных ключей, применяемых для шифрования информации в квантовых системах передачи данных.

Известна поляризационная квантовая криптосистема, содержащая передающую сторону, включающую первый блок формирования секретного ключа, выход которого является первым выходом криптосистемы, первый и второй датчики случайных чисел, однофотонный лазер и поляризационный модулятор, приемную сторону, включающую второй блок формирования секретного ключа, выход которого является вторым выходом криптосистемы, третий датчик случайных чисел, поляризационный светоделитель, неподвижное зеркало, первый и второй детекторы фотонов, а также первый несекретный канал связи и первый квантовый канал связи, вход которого подключен к выходу поляризационного модулятора, первый вход которого соединен с выходом однофотонного лазера, второй вход - с выходом первого датчика случайных чисел и с первым входом первого блока формирования секретного ключа, третий вход - с выходом второго датчика случайных чисел и со вторым входом первого блока формирования секретного ключа, вход/выход обмена данными которого соединен через первый несекретный канал связи с входом/выходом обмена данными второго блока формирования секретного ключа, первый вход которого подключен к выходу третьего датчика случайных чисел и к первому входу поляризационного светоделителя, первый выход которого соединен посредством неподвижного зеркала с входом первого детектора фотонов, выход которого подключен ко второму входу второго блока формирования секретного ключа, третий вход которого соединен с выходом второго детектора фотонов, вход которого соединен с вторым выходом поляризационного светоделителя, при этом выход первого квантового канала связи подключен ко второму входу поляризационного светоделителя [1].

Известная поляризационная квантовая криптосистема позволяет формировать секретный ключ путем использования свойств физических процессов квантового уровня. В квантовой теории и практике установлено, что несанкционированный доступ к одиночному фотону невозможен. Его нельзя незаметно клонировать, т.к. любое взаимодействие с ним в первом квантовом канале 8 связи обнаруживается на приемной стороне.

В соответствии с этим для создания секретного ключа в виде случайной последовательности единиц и нулей в известной поляризационной квантовой криптосистеме используют известный протокол ВВ84 [2]. Согласно этому протоколу при передаче и приеме последовательности одиночных фотонов в поляризационном модуляторе и в поляризационном светоделителе используют повернутые друг относительно друга на 45° прямоугольный поляризационный базис (⊕) и диагональный поляризационный базис (⊗). Очередность выбора вертикальной (90°) или горизонтальной (0°) поляризации в прямоугольном поляризационном базисе (⊕) или поляризации под углами (+45°) и (-45°) в диагональном поляризационном базисе (⊗) случайна как в поляризационном модуляторе на передающей стороне, так и в поляризационном светоделителе на приемной стороне. Эта случайность обеспечивается соответственно вторым и третьим датчиками случайных чисел. При этом случайна и последовательность представляющих кодовые биты передаваемых единиц и нулей, которая вырабатывается первым датчиком случайных чисел.

Первый блок формирования секретного ключа на передающей стороне имеет информацию (от первого датчика случайных чисел) о каждом переданном кодовом бите и информацию (от второго датчика случайных чисел) о выбранном в поляризационном модуляторе поляризационном базисе (⊕ или ⊗).

Второй блок формирования секретного ключа на приемной стороне имеет информацию (от третьего датчика случайных чисел) о выбранном в поляризационном светоделителе поляризационном базисе (⊕ или ⊗) для каждого одиночного фотона и соответствующие значения выходных сигналов первого и второго детекторов фотонов, по которым он определяет значение "1" или "0" кодового бита на соответствующей позиции принимаемой последовательности кодовых бит.

Далее согласно протоколу ВВ84 для выработки одинакового для передающей и приемной сторон секретного ключа, который невозможно выделить по наблюдениям одиночных фотонов в первом квантовом канале связи, в известной поляризационной квантовой криптосистеме используют первый несекретный канал связи. По этому каналу передающая и приемная стороны обмениваются информацией только о выбранных в поляризационном светоделителе поляризационном базисе (⊕ или ⊗) при приеме каждого одиночного фотона, переносящего кодовый бит, и о позициях принимаемой последовательности кодовых бит, на которых поляризационные базисы поляризационного модулятора и поляризационного светоделителя совпали.

Первый блок формирования секретного ключа на передающей стороне получает по первому несекретному каналу связи от расположенного на приемной стороне второго блока формирования секретного ключа информацию о выбранном с помощью третьего датчика случайных чисел в поляризационном светоделителе поляризационном базисе (⊕ или ⊗) для каждого одиночного фотона. При этом значение "1" или "0" переносимого одиночным фотоном кодового бита, определяемое вторым блоком формирования секретного ключа по выходным сигналам первого и второго детекторов фотонов, второй блок формирования секретного ключа в первый несекретный канал связи не посылает.

В первом блоке формирования секретного ключа сравнивают для каждого передаваемого по первому квантовому каналу связи одиночного фотона поляризационные базисы поляризационного модулятора и поляризационного светоделителя и определяют позиции в сформированной первым датчиком случайных чисел последовательности кодовых бит, на которых указанные поляризационные базисы совпадают (на этих позициях также совпадают значение переданного кодового бита, заданного на передающей стороне первым датчиком случайных чисел, и соответствующее значение принятого кодового бита, определяемое на приемной стороне вторым блоком формирования секретного ключа с помощью первого и второго детекторов фотонов). Затем из последовательности кодовых битов, сформированных первым датчиком случайных чисел, выбирают кодовые биты только на тех позициях, на которых поляризационные базисы поляризационного модулятора и поляризационного светоделителя совпали. Тем самым формируют биты секретного ключа на передающей стороне.

После этого первый блок формирования секретного ключа на передающей стороне передает по первому несекретному каналу связи во второй блок формирования секретного ключа на приемной стороне информацию о позициях, на которых поляризационные базисы поляризационного модулятора и поляризационного светоделителя совпали. При этом значения "1" или "0" кодовых битов первый блок формирования секретного ключа в первый несекретный канал связи не посылает.

Второй блок формирования секретного ключа на приемной стороне по полученной информации о позициях принимаемой последовательности кодовых бит, на которых поляризационные базисы поляризационного модулятора и поляризационного светоделителя совпали, однозначно определяет значение бит секретного ключа на приемной стороне.

Однако недостатком известной поляризационной квантовой криптосистемы является ограничение дальности распространения секретного ключа дальностью распространения одиночного фотона, несущего кодовый бит, в первом квантовом канале, что обусловлено принципиальной невозможностью клонировать одиночный фотон и вытекающей из этого невозможности ретрансляции одиночного фотона с целью увеличения дальности его распространения. При этом дальность распространения одиночного фотона определяется затуханием его энергии в оптическом квантовом канале.

Технический результат состоит в увеличении дальности распространения секретного ключа.

Для достижения указанного технического результата в поляризационную квантовую криптосистему, содержащую передающую сторону, включающую первый блок формирования секретного ключа, выход которого является первым выходом криптосистемы, первый и второй датчики случайных чисел, однофотонный лазер и поляризационный модулятор, приемную сторону, включающую второй блок формирования секретного ключа, выход которого является вторым выходом криптосистемы, третий датчик случайных чисел, поляризационный светоделитель, неподвижное зеркало, первый и второй детекторы фотонов, а также первый несекретный канал связи и первый квантовый канал связи, вход которого подключен к выходу поляризационного модулятора, первый вход которого соединен с выходом однофотонного лазера, второй вход - с выходом первого датчика случайных чисел и с первым входом первого блока формирования секретного ключа, третий вход - с выходом второго датчика случайных чисел и со вторым входом первого блока формирования секретного ключа, вход/выход обмена данными которого соединен через первый несекретный канал связи с входом/выходом обмена данными второго блока формирования секретного ключа, первый вход которого подключен к выходу третьего датчика случайных чисел и к первому входу поляризационного светоделителя, первый выход которого соединен посредством неподвижного зеркала с входом первого детектора фотонов, выход которого подключен ко второму входу второго блока формирования секретного ключа, третий вход которого соединен с выходом второго детектора фотонов, вход которого соединен со вторым выходом поляризационного светоделителя, введены второй несекретный канал связи, измеритель полного набора состояний Белла, второй и третий квантовые каналы связи, источник перепутанных по поляризации пар фотонов, выход первого квантового канала связи подключен к первому входу измерителя полного набора состояний Белла, выход которого соединен через второй несекретный канал связи с третьим входом первого блока формирования секретного ключа, а второй вход - через второй квантовый канал связи с первым выходом источника перепутанных по поляризации пар фотонов, второй выход которого подключен через третий квантовый канал связи ко второму входу поляризационного светоделителя.

Предлагаемая поляризационная квантовая криптосистема обеспечивает увеличение дальности распространения секретного ключа без ухудшения криптостойкости.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включая поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного технического решения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявленного технического решения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков заявленной поляризационной квантовой криптосистемы, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "новизна".

Проведенный заявителем дополнительный поиск не выявил известные решения, содержащие признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленной поляризационной квантовой криптосистемы. Следовательно, заявленное техническое решение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного технического решения преобразований для достижения технического результата. Заявленное техническое решение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемая поляризационная квантовая криптосистема предполагает выполнение известных в квантовых системах операций, которые могут быть реализованы с помощью известных функциональных элементов. Измеритель 17 полного набора состояний Белла описан в [3], остальные элементы известны из прототипа [1].

На чертеже представлена структурная схема поляризационной квантовой криптосистемы.

Поляризационная квантовая криптосистема (см. чертеж) содержит передающую и приемную стороны 1 и 2. В состав передающей стороны 1 входят первый блок 3 формирования секретного ключа, выход которого является первым выходом криптосистемы, первый и второй датчики 4 и 5 случайных чисел, однофотонный лазер 6 и поляризационный модулятор 7. Выход поляризационного модулятора 7 соединен с первым квантовым каналом 8 связи. Вход/выход обмена данными первого блока 3 формирования секретного ключа соединен с первым несекретным каналом 9 связи. В состав приемной стороны 2 входят второй блок 10 формирования секретного ключа, выход которого является вторым выходом криптосистемы, третий датчик 11 случайных чисел, поляризационный светоделитель 12, неподвижное зеркало 13, первый и второй детекторы 14 и 15 фотонов. Вход/выход обмена данными второго блока 10 формирования секретного ключа соединен с первым несекретным каналом 9 связи. Поляризационная квантовая криптосистема также содержит второй несекретный канал 16 связи, измеритель 17 полного набора состояний Белла, второй квантовый канал 18 связи, источник 19 перепутанных по поляризации пар фотонов и третий квантовый канал 20 связи.

На передающей стороне 1 первый вход поляризационного модулятора 7 соединен с выходом однофотонного лазера 6, второй вход - с выходом первого датчика 4 случайных чисел и с первым входом первого блока 3 формирования секретного ключа, третий вход - с выходом второго датчика 5 случайных чисел и со вторым входом первого блока 3 формирования секретного ключа. На приемной стороне 2 первый вход второго блока 10 формирования секретного ключа подключен к выходу третьего датчика 11 случайных чисел и к первому входу поляризационного светоделителя 12, первый выход которого соединен посредством неподвижного зеркала 13 с входом первого детектора 14 фотонов, выход которого подключен ко второму входу второго блока 10 формирования секретного ключа, третий вход которого соединен с выходом второго детектора 15 фотонов, вход которого соединен со вторым выходом поляризационного светоделителя 12.

Выход первого квантового канала 8 связи подключен к первому входу измерителя 17 полного набора состояний Белла, выход которого соединен через второй несекретный канал 16 связи с третьим входом первого блока 3 формирования секретного ключа. Первый выход источника 19 перепутанных по поляризации пар фотонов соединен через второй квантовый канал 18 связи со вторым входом измерителя 17 полного набора состояний Белла. Второй выход источника 19 перепутанных по поляризации пар фотонов соединен через третий квантовый канал 20 связи со вторым входом поляризационного светоделителя 12.

Передающая сторона 1 и измеритель 17 полного набора состояний Белла пространственно разнесены друг относительно друга на расстояние, определяемое длиной первого квантового канала 8. Измеритель 17 полного набора состояний Белла и источник 19 перепутанных по поляризации пар фотонов разнесены на расстояние, определяемое длиной второго квантового канала 18. Источник 19 перепутанных по поляризации пар фотонов и принимающая сторона 2 разнесены на расстояние, определяемое длиной третьего квантового канала 20. При этом длины первого, второго и третьего квантовых каналов 8, 18 и 20 определяются дальностью распространения одиночного фотона в квантовом канале.

Поляризационная квантовая криптосистема (см. чертеж) работает следующим образом.

Создание секретного ключа в виде случайной последовательности единиц и нулей в предлагаемой поляризационной квантовой криптосистеме осуществляют на основе известного протокола ВВ84 [2].

На передающей стороне 1 одиночный фотон Ф1, вырабатываемый однофотонным лазером 6, проходит через поляризационный модулятор 7 и излучается в первый квантовый канал 8 связи. Последовательность передаваемых с передающей стороны 1 на приемную сторону 2 символов «1» и «0», представляющих кодовые биты, случайна и вырабатывается первым датчиком 4 случайных чисел. При этом случайна и очередность выбора вертикальной (90°) или горизонтальной (0°) поляризации в прямоугольном поляризационном базисе (⊕) или поляризации под углами (+45°) и (-45°) в диагональном поляризационном базисе (⊗) как в поляризационном модуляторе 7 на передающей стороне 1, так и в поляризационном светоделителе 12 на приемной стороне 2. Эта случайность обеспечивается соответственно вторым и третьим датчиками 5 и 11 случайных чисел.

При передаче символа «1» фотон Ф1 имеет вертикальную поляризацию в прямоугольном поляризационном базисе (⊕) или повернутую на +45° поляризацию в диагональном поляризационном базисе (⊗). При передаче символа «0» фотон Ф1 имеет горизонтальную поляризацию в прямоугольном поляризационном базисе (⊕) или повернутую на -45° поляризацию в диагональном поляризационном базисе (⊗). Поляризационный базис (⊕ или ⊗) для фотона Ф1 выбирается по случайному закону вторым датчиком 5 случайных чисел. Фотон Ф1, пройдя первый квантовый канал 8, поступает на первый вход измерителя 17 полного набора состояний Белла.

Источник 19 перепутанных по поляризации пар фотонов последовательно излучает пары фотонов Ф2 и Ф3, находящихся в перепутанном состоянии,

где и - поляризация соответствующих фотонов,

- состояние фотона в обозначениях Дирака.

Фотон Ф2 перепутанной пары с первого выхода источника 19 перепутанных по поляризации пар фотонов через второй квантовый канал 18 поступает на второй вход измерителя 17 состояний Белла.

Совместное состояние всех трех фотонов Ф1, Ф2 и Ф3

где - одно из состояний поляризации фотона Ф1, определяемое кодовым битом (первым датчиком 4 случайных чисел) и выбранным поляризационным базисом (вторым датчиком 5 случайных чисел).

В общем виде состояние поляризации фотона Ф1 можно записать как

где переменные α, β могут принимать значения 0, 1, .

Подставляя в (2) выражения (1) и (3), а затем в каждом из полученных слагаемых произведя разложение совместных состояний фотона Ф1, несущего кодовый бит, и фотона Ф2 перепутанной пары по полному базису Белла, получим

где , , и - базисные векторы, которые подлежат измерению в измерителе 17 полного набора состояний Белла.

S₀, S₁, S₂ - операторы Стокса [4], действие которых на состояние имеет вид

В зависимости от результата измерения состояний Белла фотонов Ф1 и Ф2 поляризационное состояние фотона Ф3 перепутанной пары с вероятностью 0,25 телепортируется в одно из четырех состояний , , , .

Результат измерения состояний Белла фотона Ф1, несущего кодовый бит, и фотона Ф2 перепутанной пары, полученный с помощью измерителя 17 полного набора состояний Белла, передают через второй несекретный канал 16 связи на третий вход первого блока 3 формирования секретного ключа, расположенного на передающей стороне 1.

Фотон Ф3 перепутанной пары со второго выхода источника 19 перепутанных по поляризации пар фотонов через третий квантовый канал 20 поступает на второй вход поляризационного светоделителя 12 на приемной стороне 2.

В зависимости от типа поляризации фотон Ф3 перепутанной пары проходит либо на первый выход поляризационного светоделителя 12 и далее с помощью неподвижного зеркала 13 на вход первого детектора 14 фотонов, либо на второй выход поляризационного светоделителя 12 и далее на вход второго детектора 15 фотонов.

Второй блок 10 формирования секретного ключа на приемной стороне 2 при приеме каждого одиночного фотона Ф3 перепутанной пары получает от третьего датчика 11 случайных чисел данные, определяющие поляризационный базис поляризационного светоделителя 12, а от первого и второго детекторов 14 и 15 фотонов - значения их выходных сигналов, по которым он определяет соответствующее значение "1" или "0" кодового бита, переносимого этим одиночным фотоном.

Далее для выработки одинакового для передающей и приемной сторон 1 и 2 секретного ключа, который невозможно выделить по наблюдениям одиночных фотонов в первом, втором или третьем квантовых каналах 8, 18 или 20 связи, в предлагаемой поляризационной квантовой криптосистеме используют первый несекретный канал 9 связи. По этому каналу первый блок 3 формирования секретного ключа на передающей стороне 1 и второй блок 10 формирования секретного ключа на приемной стороне 2 обмениваются информацией только о выбранных в поляризационном светоделителе 12 поляризационном базисе (⊕ или ⊗) при приеме каждого одиночного фотона Ф3, переносящего кодовый бит, и о позициях принимаемой последовательности кодовых бит, на которых поляризационные базисы поляризационного модулятора 7 и поляризационного светоделителя 12 совпали.

Первый блок 3 формирования секретного ключа на передающей стороне 1 получает по первому несекретному каналу 9 связи от расположенного на приемной стороне 2 второго блока 10 формирования секретного ключа информацию о выбранном с помощью третьего датчика 11 случайных чисел в поляризационном светоделителе 12 поляризационном базисе (⊕ или ⊗) для каждого одиночного фотона. При этом значение "1" или "0" переносимого одиночным фотоном кодового бита, определяемое вторым блоком 10 формирования секретного ключа по выходным сигналам первого и второго детекторов 14 и 15 фотонов, второй блок 10 формирования секретного ключа в первый несекретный канал 9 связи не посылает.

В первом блоке 3 формирования секретного ключа сравнивают для каждого передаваемого в первый квантовый канал 8 связи одиночного фотона Ф1 и принимаемого из третьего квантового канала 20 одиночного фотона Ф3 поляризационные базисы поляризационного модулятора 7 и поляризационного светоделителя 12 и определяют позиции в сформированной первым датчиком 4 случайных чисел последовательности кодовых бит, на которых указанные поляризационные базисы совпадают. На этих позициях в зависимости от поляризации фотона Ф3 перепутанной пары либо совпадают, либо взаимно инвертированы значение переданного кодового бита, заданного на передающей стороне первым датчиком 4 случайных чисел, и соответствующее значение принятого кодового бита, определяемое на приемной стороне вторым блоком 10 формирования секретного ключа с помощью первого и второго детекторов 14 и 15 фотонов.

Поляризацию фотона Ф3 перепутанной пары, поступившего со второго выхода источника 19 перепутанных по поляризации пар фотонов через третий квантовый канал 20 на второй вход поляризационного светоделителя 12 на приемной стороне 2, однозначно определяет в соответствии с табл.1 первый блок 3 формирования секретного ключа по полученному результату измерения состояний Белла фотонов Ф1 и Ф2 и известной заданной вторым датчиком 5 случайных чисел поляризации фотона Ф1, несущего кодовый бит.

Таблица 1 Возможные исходы измерения состояний Белла Поляризация фотона Ф1 Результат измерения состояний Белла Положение базиса в приемнике Биты секретного ключа ⊗   ⊕ "1" или "0" ⊕   ⊗ "1" или "0"

Затем из последовательности кодовых битов, сформированных первым датчиком 4 случайных чисел, в первом блоке 3 формирования секретного ключа выбирают кодовые биты только на тех позициях, на которых поляризационные базисы поляризационного модулятора 7 и поляризационного светоделителя 12 совпадают, причем значения выбранных кодовых битов либо оставляют неизменными, либо инвертируют в зависимости от поляризации соответствующего фотона Ф3 перепутанной пары. Тем самым формируют биты секретного ключа на передающей стороне 1.

После этого первый блок 3 формирования секретного ключа на передающей стороне 1 передает по первому несекретному каналу 9 связи во второй блок 10 формирования секретного ключа на приемной стороне 2 информацию о позициях, на которых поляризационные базисы поляризационного модулятора 7 и поляризационного светоделителя 12 совпали. При этом значения "1" или "0" кодовых битов первый блок 3 формирования секретного ключа в первый несекретный канал 9 связи не посылает.

Второй блок 10 формирования секретного ключа на приемной стороне 2 по полученной информации о позициях принимаемой последовательности кодовых бит, на которых поляризационные базисы поляризационного модулятора 7 и поляризационного светоделителя 12 совпали, однозначно определяет значение бит секретного ключа на приемной стороне.

Таким образом, передающая сторона 1 однозначно определяет значение бита секретного ключа, полученного приемной стороной 2 при условии случайного совпадения их поляризационных базисов.

Длины первого квантового канала 8, второго квантового канала 18 и третьего квантового канала 20 выбираются, исходя из условия уверенного приема одиночного фотона. В результате общая дальность распространения секретного ключа в заявленной поляризационной квантовой криптосистеме будет равна сумме длин первого, второго и третьего квантовых каналов 8, 18 и 20, т.е. увеличивается по сравнению с аналогичной дальностью в известной поляризационной квантовой криптосистеме на суммарную длину второго и третьего квантовых каналов 18 и 20.

При этом как в первом и втором несекретных каналах 9 и 16 связи, так и в первом, втором и третьем квантовых каналах 8, 18 и 20, увеличивающих дальность действия поляризационной квантовой криптосистемы, информация о секретном ключе отсутствует, т.к. по законам телепортации квантовой механики информация о квантовом ключе в первом и втором фотонах Ф2 и Ф3 перепутанной пары возникает только в момент измерения состояния одного из этих фотонов. Это обеспечивает защищенность от несанкционированных утечек информации о кодовых битах за пределами охраняемых зон.

Изложенные выше сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- средства, воплощающие заявленную поляризационную квантовую криптосистему при ее осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно в криптосических системах передачи данных, в частности в квантовых криптосистемах;

- для заявленной поляризационной квантовой криптосистемы для ее реализации в том виде, как она охарактеризована в изложенной формуле изобретения, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "промышленная применимость".

При использовании заявленной поляризационной квантовой криптосистемы достигается увеличение дальности распространения секретного ключа в 3 раза по сравнению с использованием известной поляризационной квантовой криптосистемы без ухудшения криптостойкости.

Источники информации

1. Физика квантовой информации / Под редакцией Д.Боумейстера и др. - М.: Постмаркет, 2002, стр.50-51.

2. C.H.Bennett, G.Brassard. Proc. IEEE Int Conference on Computers, Sistem and Signal Processing, IEEE, New York, 1984.

3. Yoon-Ho Kim, Sergei P. Kulik and Yanhua Shin. Quantum Teleportation wit a Complete Bell State Measurement. Phys. Rev. Lett. 86, №7, 2001, p.1370-1373.

4. Д.Н.Клышко. Успехи физических наук. Т.168, №9, 1998, стр.992-993.