Способ формирования состояний ловушек в системе с квантовым распределением ключей Российский патент 2024 года по МПК H04L9/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Предполагаемый способ относится к области систем с квантовым распределением ключей шифрования, в частности, к генерации модулированных по интенсивности оптических импульсов (состояний ловушек).

Уровень техники

В большинстве современных систем квантового распределения ключей (КРК) в качестве квантовых состояний используются сильно ослабленные лазерные импульсы (Молотков С.Н., Об интегрировании квантовых систем засекреченной связи (квантовой криптографии) в оптоволоконные телекоммуникационные системы, 2004, Письма в ЖЭТФ, том 79, выпуск 11, сс. 691-704). Такой подход, с одной стороны, прост и недорог в реализации, но с другой содержит уязвимость. Дело в том, что квантовые состояния, полученные с помощью ослабления, имеют пуассоновскую статистику распределения по числу фотонов. Соответственно, в некоторых квантовых состояниях содержатся два и более фотона. Такое свойство источника дает злоумышленнику возможность провести атаку с расщеплением по числу фотонов (PNS-attack) (Dusek М., Haderka О., Hendrych М., Generalized beam-splitting attack in quantum cryptography with dim coherent states, 1999, Optics Communications, Vol. 169, pp. 103-108).

Для противодействия этой атаке применяют decoy-state метод (Hoi-Kwong Lo, Xiongfeng Ma, Kai Chen, Decoy State Quantum Key Distribution, 2005, Phys. Rev. Lett., Vol. 94, Issue 23, p. 230504-1) или метод состояний ловушек (называемый иногда также метод обманных состояний), суть которого заключается в использовании состояний-ловушек (импульсов-ловушек) в составе последовательности оптических информационных импульсов. В результате, помимо информационных состояний со средним числом фотонов μ, передающая сторона готовит состояния со средним числом фотонов ν, при этом тип состояния выбирается случайным образом. Для осуществления метода состояний ловушек необходимо случайным образом модулировать интенсивность лазерных импульсов.

Существуют различные способы модуляции интенсивности лазерных импульсов. Можно выделить два основных способа: с внешней и внутренней модуляцией лазерного излучения.

Первый способ предусматривает использование внешнего устройства, которое модулирует интенсивность излучения.

Известен способ и оптическое передающее устройство генерации модулированных по интенсивности оптических импульсов и система КРК, (патент США №. 10951324, приоритет от 22.02.2019 г.), реализующее протокол с фазовым кодированием и состояния ловушек.

Один из вариантов реализации оптического передающего устройства (передатчик) содержит:

• блок источника фотонов,

• модулятор интенсивности, сконфигурированный для приема входного светового импульса от блока источника фотонов, содержащий,

первый элемент, сконфигурированный для разделения входного светового импульса на два компонента (оптических импульса),

фазовый модулятор, сконфигурированный для применения сдвига фазы между двумя компонентами,

второй элемент, сконфигурированный для объединения двух компонент.

Способ генерации оптических импульсов, модулированных по интенсивности, выполняемый передатчиком, включает:

• генерацию световых импульсов в блоке источника фотонов;

• прием входного светового импульса от блока источника фотонов в модуляторе интенсивности;

• разделение входных световых импульсов на два компонента в первом элементе модулятора интенсивности;

• осуществление сдвига фазы между двумя компонентами с помощью фазового модулятора;

• взаимодействие двух компонентов на втором элементе модулятора интенсивности.

Недостатком указанного способа является различимость формируемых типов состояний, которая дает информацию о ключе шифрования (F. Koyama and K. Iga, Frequency chirping in external modulators, 1988, J. Lightwave Technol., Vol. 6, Issue 87, pp. 87-93; Tetsuya Kawanishi, Direct measurement of chirp parameters of high-speed Mach-Zehnder-type optical modulators, 2001, Optics Communications, Vol. 195, Issues 5-6, pp. 399-404). Также к недостаткам можно отнести необходимость в дополнительном устройстве - внешнем модуляторе интенсивности.

Второй способ основан на модуляции тока накачки лазера. В частности, известен способ и устройство (H.-L. Yin, Y et al., Experimental quantum digital signature over 102 km, 2017, Phys. Rev. A, Vol. 95, p. 032334-1), реализующее протокола BB84 с поляризационным кодированием и включающее набор из четырех лазеров с распределенной обратной связью и двух поляризационных светоделителей. Длина волны лазера составляла 1550 нм, длительность оптического импульса составляла 0,4 не, частота повторения импульсов 75 МГц. Для формирования состояний ловушек использовалась модуляция тока накачки, которая обеспечивала 3 уровня среднего числа фотонов: μ=0,22, ν₁=0,066, ν₂=0 (вакуумное состояние). Доля каждого состояния из общего числа отправленных состояний задавалась пользователем и была равна 60% для информационных состояний, 35% для состояний ловушек и 5% для вакуумных состояний.

Известный способ принимается в качестве прототипа.

Однако, известный способ модуляции имеет недостаток, выражающийся в различимости формируемых состояний, что позволяет злоумышленнику получить информацию о ключе шифрования. В частности, различный ток накачки приводит к различию в длине волны и несовпадению моментов начала генерации информационного состояния и состояния ловушки (Vadim Makarov et al., Quantum key distribution with distinguishable decoy states, 2018, Physical Review A, Vol. 98, p. 012330-1).

Раскрытие изобретения

Техническим результатом является снижение различимости информационных состояний и состояний ловушек в процессе реализации метода ловушек в составе протокола КРК.

Для этого предлагается блок формирования импульсов передатчика, включающий

• импульсный лазер;

• электронное устройство управления, содержащее

датчик случайных чисел,

драйвер управления лазером,

генератор тактовых импульсов,

и выполненное с возможностью

выбора типа состояния с помощью датчика случайных чисел,

формирования управляющих сигналов, соответствующих выбранным состояниям,

подачи управляющих сигналов на драйвер управления лазером; способ заключается в том, что

• задают число k, равное соотношению среднего числа фотонов в оптическом импульсе для информационных состояний и состояния ловушек,

• определяют длительности оптического импульса для информационного состояния t_μ, состояния-ловушки t_ν, которые обеспечивают заданное число k, и минимальный шаг задержки Δt₀ начала генерации состояния-ловушки;

• находят целое число , равное отношению разности длительностей информационного состояния t_μ и состояния-ловушки t_ν деленной на Δt₀ с округлением до ближайшего минимального целого числа,

• задают целое число N, лежащее в диапазоне [1…М];

• рассчитывают отрезок времени Δt, равный шагу изменения начала генерации состояния-ловушки

• выбирают тип очередного генерируемого импульса;

• если выбран тип импульса информационный, то

устанавливают длительность информационного импульса t_μ;

генерируют информационный импульс по приходу тактового импульса;

• если выбран тип состояние -ловушка, то

устанавливают длительность состояния-ловушки t_ν

случайным образом меняют момент начала генерации оптического импульса ловушки по формуле

Δt_i=i⋅Δt

где i - случайное целое число из промежутка [0, N]

генерируют импульс состояния-ловушки с задержкой Δt_i после прихода тактового импульса;

• направляют сгенерированную последовательность оптических импульсов по назначению.

Для достижения заявленного технического результата предлагается формировать состояния ловушки с помощью модуляции длительности лазерного импульса, при этом момент начала генерации каждого состояния-ловушки меняется случайным образом.

Известно, что энергия оптического импульса (т.е. среднее число фотонов) в общем случае, зависит от таких параметров излучения как мощность и длительность. Изменение коэффициента пропускания модулятора интенсивности в случае внешней модуляции, или изменение длительности импульса с помощью внутренней модуляции, приводит к одинаковому результату - происходит изменение среднее число фотонов в импульсе.

На фиг. 1 показаны информационный оптический импульс длительностью t_μ и импульс состояния ловушки длительностью t_ν. Для осуществления способа необходимо задать число k, равное соотношению среднего числа фотонов в оптическом импульсе для информационных состояний и состояниях ловушек. Далее нужно определить среднее число фотонов в двух типах состояния. Это можно сделать различными способами. Например, используя паспортные данные от производителя, можно уставить параметры лазера, которые обеспечивают нужное соотношение. Либо непосредственно измерить энергетические параметры излучения. Для этого нужно сгенерировать оптический импульс, соответствующий информационному состоянию и измерить энергию импульса E_μ. Затем нужно сгенерировать оптический импульс, соответствующий состоянию-ловушке и измерить энергию импульса E_ν.

Соотношение E_μ/E_ν покажет текущее значение соотношение k. Изменением длительности импульса ловушки t_ν добиваются выполнения условия E_μ/E_ν=k. Далее определяют длительности информационного состояния и состояния-ловушки t_ν, которые обеспечивают заданное k. Отметим что возможен вариант с измерением мощности, но уже не единичного импульса, а для двух последовательностей с разным типом состояний.

Доля информационных состояний и состояний-ловушек задаются пользователем системы КРК. Общее количество импульсов в последовательности может определяться различными способами. Например, на основе оптических потерь в оптическом канале, рассчитывают необходимое число импульсов для формирования ключа шифрования заданной длины, либо генерация импульсов осуществляется по запросу приемника.

Необходимо также отметить, что предложенный способ реализуется в блоке формирования импульсов передатчика. В общем случае, после этого блока излучение оптических импульсов может быть направлено в блок формирования выходного сигнала, который может содержать дополнительные элементы (аттенюатор, циркулятор, светоделители, фотодиоды и пр.) для обеспечения контроля и требуемых параметров оптического сигнала перед подачей в оптическое волокно, соединяющее передатчик и приемник. Если измерения проводятся непосредственно на выходе из блока формирования выходного сигнала передатчика, то для определения среднего числа фотонов удобно воспользоваться однофотонным лавинным фотодетектором. Состав и функции блока формирования выходного сигнала определяются при построении системы КРК и здесь не рассматриваются.

Важным аспектом при формировании ключа шифрования является минимизация побочных каналов утечки информации, либо создание ситуации, затрудняющей возможность злоумышленника получить информацию из этих каналов. Применительно к методу состояний ловушек, побочные каналы позволяют злоумышленнику отличить информационные состояния от состояний ловушек. Как отмечалось выше, уязвимость может заключаться в различии длин волн, а также в различии во временных характеристиках информационного состояния и состояния ловушки.

Покажем, что в предложенном способе различие в длинах волн информационного состояния и состояния ловушки проявляется в меньшей степени по сравнению с прототипом.

Известны результаты исследования (G. P. Agrawal, N. K. Dutta, Semiconductor Lasers, 1993, Kluwer Academic Publishers, pp. 243-247) и зависимости, из которых следует что выходная мощность боковых продольных мод полупроводникового лазера зависит от тока накачки. Продольные моды отличаются по длине волны, что говорит о возможном различении состояний по длине волны при модуляции тока накачки.

Для подтверждения был проведен эксперимент, в котором продемонстрированно изменение длины волны в двух случаях: в зависимости от тока накачки и в зависимости от длительности накачки. Использовался лазер с распределенной обратной связью (DFB) с длиной волны 1550 нм. Параметры информационного импульса были следующие: длительность переднего фронта 0,2 нс, период повторения импульсов 100 нс. Соотношение среднего числа фотонов в информационном состоянии и состоянии-ловушки k=2 в обоих случаях. Для измерения спектров использовался спектрометр типа Anritsu MS9740B со спектральным разрешением 30 пикометров (пм).

Рассмотрим эксперимент с токовой модуляцией. Соотношение токов накачки для формирования информационного состояния и состояния-ловушки составляло 1,65. В результате 20 измерений было установлено, что наибольшее изменение длины волны при переходе от информационного состояния к состоянию-ловушки составляло 40 пм что является различимым для используемого спектрометра.

Рассмотрим эксперимент с модуляцией длительности накачки. Соотношение длительностей накачки для формирования информационного состояния и состояния-ловушки составляло 2,63. В результате 20 измерений было установлено, что наибольшее изменение длины волны при переходе от информационного состояния к состоянию было меньше чем спектральное разрешение спектрометра.

Таким образом предложенный способ обеспечивает меньшее различение в длинах волн информационного состояния и состояния ловушки.

Покажем, что в предложенном способе различие во временных характеристиках информационного состояния и состояния ловушки проявляется в меньшей степени по сравнению с прототипом.

Из работ (О. Звелто, Принципы лазеров, 1990, Москва, Мир, с. 279), (Vadim Makarov et al., 2018, Quantum key distribution with distinguishable decoy states, Phys. Rev. A, Vol. 98, p. 012330-1) известно, что в лазерном диоде, при протекании тока накачки, генерация лазерного излучения не возникает моментально. Действительно, для достижения инверсии населенности, определенное число носителей должно инжектироваться в p-n переход, соответственно, сам процесс инжекции занимает время, причем чем выше ток, тем время меньше. Эта зависимость приводит к тому что начало генерации лазерного импульса с большим током накачки возникает раньше, чем для состояния- ловушки. В то же время временная модуляция накачки носит пороговый характер: начиная с некоторого значения длительности накачки генерация излучения соответствует устойчивой генерации излучения (steady-state, CW-solution) (G. P. Agrawal, N. K. Dutta, Semiconductor Lasers, 1993, Kluwer Academic Publishers, p. 239). Это позволяет подобрать длительности информационного состояния и состояния ловушки, которые будут обеспечивать одинаковые временные характеристики (момент начала генерации).

Таким образом модуляция тока накачки, применяемая в прототипе, приводит к различению временных характеристик информационного состояния и состояния ловушки, тем самым злоумышленник может получить информацию о ключе шифрования.

Теперь рассмотрим пример модуляции длительности импульсов, реализующий метод состояния-ловушки и действия злоумышленника. Положим что момент начала генерации состояния-ловушки всегда Δt_i=0, т.е. передний фронт импульса ловушки всегда совпадает с передним фронтом информационного импульса. Примем что длительность информационного состояния равна соотношения t_μ, а состояния-ловушки t_ν, соответственно.

Для обеспечения безопасности при использовании метода состояния-ловушки, согласно результатам известных исследований (Hoi-Kwong Lo, Xiongfeng Ma, Kai Chen, Decoy State Quantum Key Distribution, 2005, Phys. Rev. Lett., Vol. 94, Issue 23, p. 230504-1), необходимо выполнение следующих условий:

1) среднее число фотонов в импульсах ловушек должно отличаться от среднего числа фотонов в информационных импульсах;

2) злоумышленник не может достоверно различить импульсы ловушек и информационные импульсы.

В рассматриваемом примере злоумышленник может выборочно модифицировать состояния ловушки и информационные состояния, что приведет к уравниванию среднего числа фотонов в импульсах обоих типов, тем самым, нарушится первое условие безопасности. Это осуществимо, например, при помощи быстрого оптического переключателя. Для этого злоумышленник может действовать следующим образом. В каждом передаваемом оптическом импульсе злоумышленник блокирует либо конечную часть импульса (фиг. 2б), либо начальную часть импульса (фиг. 2в). Выбор блокируемой части задается так: конечная часть импульса (фиг. 2б) блокируется с вероятностью , иначе блокируется начальная часть импульса (фиг. 2в).

Действуя подобным образом, злоумышленник сможет выровнять среднее число фотонов в импульсах ловушек и информационных импульсах. Соответственно, рассмотренный пример метода состояния ловушки не будет обеспечивать безопасность от дальнейших действий злоумышленника (например, атака с разделением по числу фотонов).

Для исключения описанной уязвимости предлагается следующий подход. Описанным выше способом определяют длительности информационного состояния и состояния-ловушки t_ν, которые обеспечивают заданное к. Затем определяют минимальный шаг задержки Δt₀ начала генерации состояния-ловушки. Это можно сделать, например, исходя из ограничений используемой аппаратуры. Далее находят число , равное отношению разности длительностей информационного состояния и состояния ловушки t_ν деленной на Δt₀, с округлением до ближайшего минимального целого числа. Далее задают целое число N, лежащее в диапазоне [1…М]. Рассчитывают отрезок времени Δt, равный шагу изменения начала генерации состояния-ловушки

Момент начала генерации состояния ловушки меняется случайным образом внутри временного отрезка t_μ, соответствующего длительности информационного состояния, на величину

Δt_i=i⋅Δt

где i - случайное целое число из промежутка [0…N].

Таким образом, каждый импульс ловушки в сформированной последовательности импульсов имеет случайное расположение внутри временного промежутка, соответствующего длительности информационного импульса. При этом среди набора из N+1 импульсов ловушек имеются такие импульсы, передние и задние фронты которых совпадают с фронтами информационных импульсов.

Для выравнивания среднего числа фотонов в импульсах ловушек и информационных импульсах злоумышленнику необходимо теперь блокировать почти все излучение, оставляя только импульсы длительностью Δt вместо t_ν. При выборе достаточно малого Δt (например, на 1-2 порядка меньше, чем t_ν) атака злоумышленника приведет к тому что среднее число фотонов получаемых импульсах упадет до уровня, при котором скорость выработки ключа будет близка к нулю, что приведет к возникновению ошибки в системе КРК из-за превышения максимального времени генерации ключа. Кроме того, снижение среднего числа фотонов приведет к росту квантовой ошибки (QBER), поскольку темп темновых отсчетов (из-за шумов аппаратуры), не зависящий от манипуляций в канале, начнет преобладать над фотоотсчетами. Как следствие, атака злоумышленника не приведет к успеху - его действиям будут обнаружены легитимными пользователями.

Таким образом, предложенный способ позволяет уменьшить различимость информационных состояний и состояний ловушек в процессе реализации метода состояний ловушек при реализации протокола КРК.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показано временная диаграмма оптических импульсов На фиг. 2 показано временная диаграмма оптических импульсов в ходе действий злоумышленника для уравнивания среднего числа фотонов в импульсах разных типов. Заштрихованной областью выделена часть, заблокированная злоумышленником.

На фиг. 2а показаны исходные импульсы.

На фиг. 2б показана блокировка злоумышленником конечной части импульса.

На фиг. 2в показана блокировка злоумышленником начальной части импульса

Осуществление изобретения

В общем случае, возможно выполнение блока формирования импульсов с распространением излучения в свободном пространстве, однако, предпочтительно выполнение с использованием оптоволоконных компонентов.

В качестве импульсного лазера применяется полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью с выводом излучения в волокно, сохраняющее поляризацию, и, например, с линейной поляризацией вдоль медленной оси волокна. Для осуществления изобретения можно использовать лазер типа DFB-1550-14BF производителя АО "Нолатех" (http://nolatech.ru/).

Электронное устройство управления (ЭУУ) предпочтительно выполнять на базе электронно-вычислительной машины (ЭВМ) с сетевым интерфейсом связи. Кроме того, ЭУУ содержит связанные с ЭВМ драйвер лазера, генератор тактовых импульсов, датчик случайных чисел.

Все необходимые расчеты на ЭВМ для осуществления способа реализуются с помощью специализированного программного обеспечения (ПО). Такое специализированное ПО может сформировать специалист по программированию (программист) на основе известных сведений о функциях устройства и действий, которые лежат в основе предложенного способа. ЭУУ выполняется с возможностью выбора типа состояния с помощью датчика случайных чисел, формирования управляющих сигналов, соответствующих выбранным состояниям, подачи управляющих сигналов на драйвер лазера.

Для осуществления способа задают число k=2, равное соотношению среднего числа фотонов в оптическом импульсе для информационных состояний и состояниях ловушек. Затем определяют длительности оптического импульса для информационного состояния t_μ и состояния-ловушки t_ν, которые обеспечивают заданное число k. Для этого задают начальные значения длительности информационного импульса и состояния-ловушки, например, 1 нс и 0,5 нс и частоту следования импульсов, равную 10 МГц. На основе данных об оптических потерях между передатчиком и приемником специализированное ПО рассчитывает необходимое общее количество передаваемых импульсов в последовательности, например, 106. Далее генерируют и измеряют мощности P_μ и P_ν двух последовательностей, состоящих только из информационных и только из состояний-ловушек. Количество импульсов для измерения задается равным 107.

Измерение мощности на выходе из лазера может проводится с помощью измерителя мощности типа EXFO FTB-1750 (https://lenlasers.ru/product/portativnaya-opticheskaya-platforma-ltk-1/). Изменяя начальные значения, определяют длительности состояний t_μ=0.8 нс и t_ν=0,4 нс, которые обеспечивают заданное k-2. Длительности лазерных импульсов могут быть определены с помощью фотодетектора ДФДШМ40-16 (http://www.dilas.ru/prom/dfdmsh40-16.php) и осциллографа DSOS804A Keysight (https://akmetron.ru/catalog/keysight/oscillografi/sseriya/dsos804a/). Исходя из аппаратных ограничений определяют минимальный шаг задержки, равный, например, Δt₀=0,011 нс. Затем находят число . Из диапазона [1…36] задают целое число N=8. Затем рассчитывают шаг изменения начала генерации состояния-ловушки .

Далее задают вероятность выбора типа состояния при генерации очередного импульса. Например, для информационного состояния эта вероятность составляет 0,8, соответственно, вероятность генерации состояния-ловушки равна 0,2. С помощью датчика случайных чисел выбирают тип очередного генерируемого импульса. Если выбран тип импульса информационный, то с помощью ЭУУ устанавливают длительность информационного импульса t_μ и генерируют информационный импульс. Если выбран тип импульса состояние-ловушка, то с помощью ЭУУ устанавливают длительность состояния-ловушки t_ν. С помощью датчика случайных чисел выбирают число i ∈ [0,8]. Вычисляют момент начала генерации оптического импульса ловушки по формуле Δt_i=0,05⋅i. Полученную сгенерированную последовательность оптических импульсов направляют по назначению.

Изобретение относится к области систем с квантовым распределением ключей шифрования. Технический результат заключается в снижении различимости информационных состояний и состояний ловушек в процессе реализации метода ловушек в составе протокола квантового распределения ключей. Блок формирования импульсов передатчика, включает импульсный лазер, электронное устройство управления, содержащее датчик случайных чисел, драйвер управления лазером, генератор тактовых импульсов, и выполненное с возможностью выбора типа состояния с помощью датчика случайных чисел, формирования управляющих сигналов, соответствующих выбранным состояниям, подачи управляющих сигналов на драйвер управления лазером. Предлагается формировать состояния ловушки с помощью модуляции длительности лазерного импульса, при этом момент начала генерации каждого состояния-ловушки меняется случайным образом. 2 ил.

Способ формирования состояний-ловушек в системе с квантовым распределением ключей, реализуемый в блоке формирования импульсов передатчика, включающем

импульсный лазер;

электронное устройство управления, содержащее

датчик случайных чисел,

драйвер управления лазером,

генератор тактовых импульсов,

и выполненное с возможностью

выбора типа состояния с помощью датчика случайных чисел,

формирования управляющих сигналов, соответствующих выбранным состояниям,

подачи управляющих сигналов на драйвер управления лазером; способ заключается в том, что

задают число к, равное соотношению среднего числа фотонов в оптическом импульсе для информационных состояний и состояния ловушек;

определяют длительности оптического импульса для информационного состояния t_μ, состояния-ловушки t_ν, которые обеспечивают заданное число k, и минимальный шаг задержки Δt₀ начала генерации состояния-ловушки;

находят целое число , равное отношению разности длительностей информационного состояния t_μ и состояния-ловушки t_ν деленной на Δt₀ с округлением до ближайшего минимального целого числа;

задают целое число N, лежащее в диапазоне [1…М];

рассчитывают отрезок времени Δt, равный шагу изменения начала генерации состояния-ловушки

выбирают тип очередного генерируемого импульса;

если выбран тип импульса информационный, то

устанавливают длительность информационного импульса t_μ;

генерируют информационный импульс по приходу тактового импульса;

если выбран тип состояние-ловушка, то

устанавливают длительность состояния-ловушки t_ν;

случайным образом меняют момент начала генерации оптического импульса ловушки по формуле

Δt_i=i⋅Δt,

где i - случайное целое число из промежутка [0, N];

генерируют импульс состояния-ловушки с задержкой Δt_i после прихода тактового импульса;

направляют сгенерированную последовательность оптических импульсов по назначению.