СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА В КВАНТОВЫХ СЕТЯХ

А. П. Плёнкин

А. П. Плёнкин Южный федеральный университет

Ключевые слова: Квантовые коммуникации, квантовый ключ, фотонный импульс, вероятность обнаружения, доверенные узлы

Аннотация

Приводится способ обнаружения оптического сигнала синхронизации для участка сети
квантовых коммуникаций. Целью статьи является представление варианта реализации городской
квантовой сети. В работе рассматривается решение задачи конфигурации канала синхронизации
для систем квантовой связи нестандартной топологии. Описывается обобщенный принцип рабо-
ты системы квантового распределения ключей с фазовым кодированием. Предлагается алгоритм
синхронизации, адаптированный для конфигурации городской квантовой сети, содержащей не-
сколько сегментов. Особенностью предлагаемой схемы является наличие одной приемо-
передающей станции, с которой взаимодействуют несколько кодирующих станций. В статье
приведены результаты анализа энергетической модели предлагаемого способа и расчет усреднен-
ных потерь в квантовом канале. В заключении мы рассуждаем о возможных вариантах структу-
ры квантовых сетей и о применимости в них процессов синхронизации. Сети квантовых коммуни-
каций активно масштабируются и используют различные протоколы квантового распределения
ключей, аутентификации и синхронизации. Квантовое распределение ключей (КРК) решает цен-
тральную проблему симметричной криптографии и представляет собой безопасную технологию
генерации идентичной последовательности бит у двух удаленных пользователей. Теоретически,
безопасность (стойкость) такой технологии не зависит от вычислительной мощности взломщи-
ков, которые, например, могут обладать квантовым компьютером. Тем не менее, практическая
реализация теоретических моделей все еще показывает техническое несовершенство, что позво-
ляет злоумышленникам находить уязвимости. При исследовании и проектировании различных
модификаций систем квантового распределения ключей (СКРК), необходимо уделять внимание не
только вопросам стойкости квантовых протоколов, но и компонентам технической реализации
аппаратуры.

Литература

1. Chen Y.A. et al. An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres,
Nature, 2021, Vol. 589, No. 7841, pp. 214-219.
2. Gisin N., Ribordy G., Tittel W., Zbinden H. Quantum cryptography, Reviews of Modern Physics, 2002,
Vol. 74, No. 1, pp. 145-195.
3. Bennett C.H., Brassard G., & Ekert A.K. Quantum Cryptography, Scientific American, 1992, 267 (4),
pp. 50-57. Available at: http://www.jstor.org/stable/24939253.
4. Kulik S. Kvantovaya kriptografiya [Quantum cryptography], Fotonika [Photonics], 2010, No. 2,
pp. 36-41.
5. Kulik S.P., Molotkov S.N. MDI–Measurement Device Independent kvantovogo raspredeleniya
klyuchey [MDI-Measurement Device Independent of quantum key distribution], Pis'ma v Zhurnal
eksperimental'noy i teoreticheskoy fiziki [Letters to the Journal of Experimental and Theoretical Physics],
2023, Vol. 118, No. 1, pp. 62-70.
6. Lo H.K., Curty M., Qi B. Measurement-device-independent quantum key distribution, Physical review
letters, 2012, Vol. 108, No. 13, pp. 130503.
7. Bouwmeester D. et al. Experimental quantum teleportation, Nature, 1997, Vol. 390, No. 6660,
pp. 575-579.
8. Pljonkin A., Rumyantsev, K., Singh, P.K. Synchronization in quantum key distribution systems, Cryptography,
2017, 1, 18. DOI: 10.3390/cryptography1030018.
9. Rumyantsev K.E., Plenkin A.P. Sinkhronizatsiya sistemy kvantovogo raspredeleniya klyucha pri
ispol'zovanii fotonnykh impul'sov dlya povysheniya zashchishchennosti [Synchronization of the quantum
key distribution system using photon pulses to increase security], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie
nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2014, No. 8, pp. 81-96.
10. Gal'yardi R.M., Karp Sh. Opticheskaya svyaz' [Optical communication]: trans. from engl., ed. by
A.G. Sheremet'eva. Moscow: Svyaz', 1978, 424 p.
11. Deng F.G., & Long G.L. Secure direct communication with a quantum one-time pad, Physical Review
A, 2004, 69 (5), 052319.
12. Pljonkin A., Petrov D., Sabantina L., Dakhkilgova K. Nonclassical attack on a quantum
keydistribution system, Entropy, 2021, Vol. 23, No. 5. DOI: 10.3390/e23050509.
13. Zhao Y., Fung C.H.F., Qi B., Chen C., & Lo H.K. Quantum hacking: Experimental demonstration of
time-shift attack against practical quantum-key-distribution systems, Physical Review A, 2008, 78 (4),
042333.
14. Makarov V., & Hjelme D.R. Faked states attack on quantum cryptosystems, Journal of Modern Optics,
2005, 52 (5), pp. 691-705.
15. Sabanov A.G., Shelupanov A.A. Identifikatsiya i autentifikatsiya v tsifrovom mire [Identification and
authentication in the digital world]. Moscow: Goryachaya Liniya–Telekom, 2022.
16. Kravtsov K.S. i dr. Sistema relyativistskoy kvantovoy kriptografii [The system of relativistic quantum
cryptography], 2018.
17. Beals T.R., Sanders B.C. Distributed relay protocol for probabilistic information-theoretic security in a
randomly-compromised network, Information Theoretic Security: Third International Conference,
ICITS 2008, Calgary, Canada, August 10-13, 2008. Proceedings 3. Springer Berlin Heidelberg, 2008,
pp. 29-39.
18. Dianati M., Alléaume R. Architecture of the Secoqc quantum key distribution network, 2007 First
International Conference on Quantum, Nano, and Micro Technologies (ICQNM'07). IEEE, 2007,
pp. 13-13.
19. Barnett S.M., Phoenix S.J. D. Securing a quantum key distribution relay network using secret sharing,
2011 IEEE GCC Conference and Exhibition (GCC). IEEE, 2011, pp. 143-145.
20. Pozdnyakov A.M. Sposob peredachi soobshcheniya cherez vychislitel'nuyu set' s primeneniem
apparatury kvantovogo raspredeleniya klyuchey [Method for transmitting messages through a computing
network using quantum key distribution equipment], 2019.