2325763 - Способ съема информации с волоконно-оптического канала

Способ съема информации с волоконно-оптического канала

Иллюстрации

Показать все

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано при передаче информации по волоконно-оптическому каналу на основе методов и алгоритмов квантовой криптографии, а также при организации оптических сетей квантового распределения ключа. Технический результат состоит в исключении обнаружения отправителем и получателем факта несанкционированного съема конфиденциальной информации с волоконно-оптического канала, используемого для распределения ключа. Для этого поток фотонов с выхода первой волоконно-оптической линии связи со стороны отправителя пропускают через активную волоконно-оптическую среду, где происходит квантовое усиление, причем с выхода активной волоконно-оптической среды поток фотонов разделяют на два потока, первый поток фотонов вводят во вторую волоконно-оптическую линию связи по направлению к получателю, а второй поток фотонов используется агентом для извлечения информации посредством измерения поляризационного состояния принимаемых им фотонов. 4 ил.

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к технике связи и может быть использовано для съема информации с квантового канала на основе оптического волокна.

Классическая криптография основана на использовании секретных ключей. При этом секретность криптограммы полностью зависит от секретности используемого ключа. Как показал Клод Шенон [СЕ. Shannon. Bell Sist. Tech. J. 1949. V.28. P.656], если ключ является действительно случайным, если он такой же длины, что и само сообщение, и если он никогда не используется повторно, то одноразовая передача сообщения абсолютно защищена. В то же время, эта не взламываемая система имеет один существенный недостаток, состоящий в распределении ключа. Только в случае решения проблемы распределения ключа между пользователями можно, в принципе, достичь полной конфиденциальности передаваемой информации. На данный момент существует два решения поставленной проблемы: математическое и физическое. Математическое решение называется криптографией с открытым ключом, а физическое известно как квантовая криптография.

В системах с открытым ключом нет проблемы распределения ключа. Однако, к сожалению, надежность этих систем основана на недоказанных математических фактах сложности разложения больших целых чисел на простые множители (факторизации). Таким образом, проблема распределения ключей состоит не в том, что невозможно найти секретный ключ по открытому ключу, а в сложности выполнения такой процедуры. Это означает, что при реализации быстрых и надежных процедур для факторизации больших целых чисел, вся секретность и надежность криптосистем с открытым ключом исчезнут. В пользу этого говорят исследования по квантовым вычислениям. Они показывают, что квантовые компьютеры способны факторизовать большие целые числа гораздо быстрее, чем классические компьютеры [P. Shor. Proc. of 35th Annual Symposium on the Foundations of Computer Science (IEEE Computer Society, Los Alamitos). 1994. P.124 (Extended Abstract)]. Это означает, что любое сообщение, зашифрованное, например, с помощью RSA, может быть расшифровано посредством супер-ЭВМ.

Квантовая криптография предлагает принципиально иной способ решения проблемы распределения ключа. Квантовая криптография позволяет двум пользователям, не обладающим изначально никакими общими для них секретными данными, договориться о случайном ключе, который будет секретным от третьего лица, осуществляющего несанкционированный доступ к их коммуникациям.

В [Физика квантовой информации: Квантовая криптография. Квантовая телепортация. Квантовые вычисления / Под ред. Д.Боумейстера, А. Экерта, А. Цайлингера; Пер. с англ. С.П.Кулика, Е.А.Шапиро. - М.: Постмаркет, 2002. - 375 с.] отмечается, что квантовая криптография обеспечивает защищенное распределение ключа, поскольку, в отличие от классической криптографии, основана на законах физики, а не на ограниченности мощностей вычислительных средств.

Действительно, произвольное состояние любой двухуровневой квантово-механической системы можно представить в виде линейной суперпозиции ее собственных состояний и с комплексными коэффициентами α и β, причем . Законы квантовой механики не позволяют абсолютно надежно различить два квантовых состояния

если не выполнено условие , т.е. если состояния ортогональны.

На данный момент существует несколько протоколов квантового распределения ключа, основу которых составляют следующие принципы.

Квантовое распределение ключа начинается с пересылки одиночных или перепутанных квантов (фотонов) от отправителя к получателю. Предполагается, что отправитель отправляет получателю конфиденциальную информацию. Несанкционированный съем информации агентом, с физической точки зрения, основан на серии экспериментов, выполняемых агентом на носителях информации, в данном случае на пересылаемых квантах. Согласно правилам квантовой механики, в общем случае любое измерение, выполняемое агентом, неизбежно меняет состояния передаваемых квантов. Отправитель и получатель могут это обнаружить (выяснить) посредством переговоров по открытому каналу [Физика квантовой информации: Квантовая криптография. Квантовая телепортация. Квантовые вычисления / Под ред. Д.Боумейстера, А.Экерта, А.Цайлингера; Пер. с англ. С.П.Кулика, Е.А.Шапиро. - М.: Постмаркет, 2002. - 375 с.]. Таким образом, основные составляющие квантового распределения ключа таковы: квантовый канал для обмена квантами между отправителем и получателем, открытый канал для проверки искажения сообщения при прохождении через квантовый канал.

Во время квантовой пересылки ключ либо закодирован с использованием заданного набора неортогональных квантовых состояний одного фотона, либо он получается из заданного набора измерений, выполняемых на перепутанных квантах после пересылки. В последнем случае во время пересылки ключ еще даже не существует.

Теоретически доказано [Clauser J.F. and Home M.A. Phys. Rev. 1974, D10, P.526], что при использовании свойств перепутанных пар фотонов становится возможной реализация ряда новых особенностей криптографии. Однако на основе существующей технологии реализовать такой протокол квантового распределения ключа оказывается значительно труднее, чем протокол с пересылкой одиночных квантов (фотонов). Это связано с необходимостью генерировать состояния фотонов с высокой степенью перепутывания. При неполном перепутывании между фотонами требуется применять технику очищения перепутывания, которая не реализована [Физика квантовой информации: Квантовая криптография. Квантовая телепортация. Квантовые вычисления / Под ред. Д.Боумейстера, А.Экерта, А.Цайлингера; Пер. с англ. С.П.Кулика, Е.А.Шапиро. - М.: Постмаркет, 2002. -375 с].

В связи со сказанным можно заключить, что привлекательными с точки зрения практической реализации являются протоколы квантовой криптографии, основанные на передаче одиночных не связанных квантов с кодировкой поляризационных состояний в двух альтернативных базисах, не ортогональных друг другу. Такие квантовые протоколы распределения ключа реализованы учеными из GAP-Optique [G.Ribordy, J.-D.Gautier, N.Gisin, O.Guinnard and H.Zbinder. Electronics Letters. 1998. 34. P.2116-2117].

Одним из распространенных протоколов квантовой криптографии является протокол ВВ84 [Bennett C.H., Brassard G. // Proceeding of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, Bangalore, India. New York: IEEE, 1984. P.175]. Секретность этого протокола (как и всех квантово-криптографических протоколов) основана на том факте, что в случае несанкционированного доступа агента к информации в квантовом канале агентом, отправитель и получатель смогут выявить факт съема информации по частоте появления ошибок.

Протокол ВВ84 использует для кодирования информации четыре квантовых состояния микросистемы, формирующие два сопряженных базиса (обозначенных здесь буквенными индексами А и В):

Здесь состояния и кодируют значения "0" и "1" в базисе А, а и кодируют те же значения в базисе В. Можно представить их как поляризационные состояния фотонов. Тогда состояния и соответствуют горизонтальному (0°) и вертикальному (90°) направлениям поляризации, a и - двум диагональным, а именно +45° и -45°.

Последние получаются из состояний |0_А) и |1_А) путем поворота системы координат на 45° (поворот Гильбертового пространства). Два состояния, принадлежащие к одному и тому же базису, являются ортогональными, поскольку их можно различить надежно при условии, что измерения проводятся в том же самом базисе. Однако измерение в неправильном базисе (т.е., к примеру, попытка определить, какой из двух поляризаций - 0° или 90° - обладает фотон, который на самом деле поляризован под углом +45°) дает абсолютно случайный результат.

Известен способ съема информации с квантового канала, называемый "перехват/регенерация" [Gisin N., Ribordy G., Tittel W., Zbinden H. // Rev. Modern Phys. 2002. V.74, №1. P.145]. Способ состоит в распределении ключа от отправителя к получателю по квантовому каналу и в двустороннем обмене информацией по открытому каналу, причем по квантовому каналу информация передается в виде единичных фотонов с кодировкой поляризационных состояний фотонов в двух альтернативных базисах, не ортогональных друг другу. Открытый канал используется для проверки искажений сообщений отправителя, передаваемых через квантовый канал и возникающих вследствие съема информации агентом, причем агент имеет доступ к открытому каналу для контроля двустороннего обмена информацией между отправителем и получателем. Агент перехватывает фотоны отправителя и использует их для извлечения информации посредством измерения поляризационного состояния принимаемых фотонов. Агент генерирует новый фотон, кодируя его поляризационное состояние на основе полученной информации, и направляет его к получателю. Получатель извлекает искомую информацию посредством измерения поляризационного состояния принимаемых им фотонов.

Признаки способа-аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: распределение ключа от отправителя к получателю; двусторонний обмен информацией по открытому каналу; передача информации единичными фотонами с кодировкой поляризационных состояний в двух альтернативных базисах, не ортогональных друг другу; использование открытого канала для проверки искажений сообщений отправителя; доступ агента к открытому каналу для контроля двустороннего обмена информацией между отправителем и получателем; извлечение получателем искомой информации посредством измерения поляризационного состояния принимаемых фотонов; извлечение агентом информации посредством измерения поляризационного состояния перехватываемых фотонов.

Недостатками известного способа являются:

- внесение агентом искажений в сообщение, передаваемое получателю;

- выявление отправителем и получателем факта съема информации посредством контроля частоты появления ошибок.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Согласно принципа неопределенности [Физика квантовой информации: Квантовая криптография. Квантовая телепортация. Квантовые вычисления / Под ред. Д.Боумейстера, А.Экерта, А.Цайлингера; Пер. с англ. С.П.Кулика, Е.А.Шапиро. - М.: Постмаркет, 2002. - 375 с.], агент не может одновременно замерить как прямоугольную, так и диагональную поляризацию одного и того же фотона. Даже если он для какого-либо фотона произведет измерение и перешлет получателю фотон в соответствии с результатом своих измерений, то в итоге частота появления ошибок намного увеличится, что станет заметно отправителю. Это приведет к обнаружению отправителем и получателем факта съема информации (перехвата фотонов).

Известен способ съема информации в квантово-криптографическом канале, называемый "некогерентной" (однофотонной) атакой [Slutsky B.A., Rao R., Sun P. - C. and Fainman Y. Phys Rev. 1998. A 57, P.2383], состоящий в распределении ключа от отправителя к получателю по квантово-криптографическому каналу и в двустороннем обмене информацией по открытому каналу. По квантово-криптографическому каналу информация передается в виде единичных фотонов с кодировкой поляризационных состояний фотонов. Открытый канал используется для проверки искажений сообщений отправителя, передаваемых через квантово-криптографический канал и возникающих вследствие съема информации агентом. Агент имеет доступ к открытому каналу для контроля двустороннего обмена информацией между отправителем и получателем. Агент перехватывает фотоны отправителя и использует их для извлечения информации посредством перепутывания 2-кубитной квантовой пробы с одним фотоном за один раз. Агент направляет перепутанный фотон получателю. Получатель извлекает искомую информацию посредством измерения поляризационного состояния принимаемых им фотонов. Агент сохраняет пробы в квантовой памяти до тех пор, пока получатель не измерит все перепутанные им фотоны, входящие в передаваемую по квантово-криптографическому каналу последовательность, и не завершатся переговоры по открытому каналу между отправителем и получателем. После этого агент проводит измерение своих квантовых проб в соответствии с базисами, объявленными отправителем и получателем в процессе открытых переговоров.

Недостатками известного способа являются:

- внесение агентом искажений в сообщение, передаваемое получателю;

- необходимость наличия у агента надежной и долговременной квантовой памяти;

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Согласно принципа неопределенности Гейзенберга попытка произвести измерения в квантовой системе искажает ее состояние. Полученная в результате такого измерения информация не полностью соответствует состоянию системы до начала измерений. Поэтому попытка съема информации агентом в квантово-криптографическом канале связи неизбежно приводит к внесению в него искажений, обнаруживаемых отправителем и получателем [Физика квантовой информации: Квантовая криптография. Квантовая телепортация. Квантовые вычисления / Под ред. Д.Боумейстера, А.Экерта, А.Цайлингера; Пер. с англ. С.П.Кулика, Е.А.Шапиро. - М.: Постмаркет, 2002. - 375 с]. Факт съема информации в квантовом канале будет зафиксирован посредством контроля частоты появления ошибок.

Физическая реализация способа затруднена необходимостью использования агентом надежной и долговременной квантовой памяти. В противном случае объем информации, выделенной агентом, будет незначительным.

Известен способ съема информации в квантово-криптографическом канале, называемый "когерентной" (совместной) атакой [Mayers D. Unconditional security in Quantum Cryptography. Quant-ph. 1998. 9802025], состоящий в распределении ключа от отправителя к получателю по квантово-криптографическому каналу и в двустороннем обмене информацией по открытому каналу. Информация по квантово-криптографическому каналу передается в виде единичных фотонов с кодировкой поляризационных состояний фотонов. Открытый канал используется для проверки искажений сообщений отправителя, передаваемых через квантово-криптографический канал и возникающих вследствие съема информации агентом, причем агент имеет доступ к открытому каналу для контроля двустороннего обмена информацией между отправителем и получателем. Агент перехватывает фотоны отправителя и использует их для извлечения информации посредством перепутывания любым унитарным образом пробы любой размерности и в любом состоянии со всей последовательностью передаваемых фотонов. Агент последовательно направляет каждый перепутанный фотон, входящий в передаваемую последовательность, получателю. Получатель извлекает искомую информацию посредством измерения поляризационного состояния принимаемых им фотонов. Агент сохраняет пробу в квантовой памяти до тех пор, пока получатель не измерит всю перепутанную им последовательность фотонов, передаваемую по квантово-криптографическому каналу, и не завершатся переговоры по открытому каналу между отправителем и получателем. Агент производит измерение над своей пробой в соответствии с базисами, объявленными отправителем и получателем в процессе открытых переговоров.

Недостатками известного способа являются:

- внесение агентом искажений в сообщение, передаваемое получателю;

- необходимость наличия у агента надежной и долговременной квантовой памяти большого объема;

- необходимость проведения агентом сложных математических преобразований в процессе измерений, требующих применения многокубитного квантового компьютера;

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Во-первых, реализация способа предполагает у агента наличия надежной и долговременной квантовой памяти большого объема.

Во-вторых, способ предусматривает проведение сложных математических преобразований в процессе измерений и применение многокубитного квантового компьютера, отсутствующего на настоящий момент [Peres A. Quantum Theory: Concepts and Methods. Kluwer Academic Publishes. 1995].

Наконец, согласно принципу Гейзенберга попытка произвести измерения в квантовой системе искажает ее состояние. Полученная в результате такого измерения информация не будет в полной мере соответствовать состоянию системы до начала измерений. Соответственно, попытка съема информации агентом в квантовом канале связи неизбежно приводит к внесению в него искажений, обнаруживаемых отправителем и получателем по увеличению частоты появления ошибок.

Известен съем информации в квантово-криптографическом канале способом коллективной атаки [Biham E., Boyer M., Brassard G., J. van de Graaf and Mor Т. Security of Quantum Key Distribution against all Collective attacks. Quant-ph. 1998. 9801022], состоящий в распределении ключа от отправителя к получателю по квантово-криптографическом каналу и в двустороннем обмене информацией по открытому каналу. По квантово-криптографическому каналу информация передается в виде единичных фотонов. Открытый канал используется для проверки искажений сообщений отправителя, передаваемых через квантово-криптографический канал и возникающих вследствие съема информации агентом. Агент имеет доступ к открытому каналу для контроля двустороннего обмена информацией между отправителем и получателем. Агент перехватывает фотоны отправителя и использует их для извлечения информации. Агент производит перепутывание каждого фотона отправителя индивидуально с отдельной пробой и направляет каждый из фотонов, входящий в последовательность, получателю. При этом агент сохраняет неперепутанные и независимые друг от друга индивидуальные квантовые пробы в квантовой памяти до тех пор, пока получатель не измерит всю последовательность, передаваемую по квантово-криптографическому каналу, перепутанных им фотонов, и не завершатся все открытые сообщения между отправителем и получателем. После этого агент проводит измерение над всеми пробами, находящимися в таких же состояниях, как и при некогерентных атаках, и рассматриваемых как единая квантовая система.

Недостатками известного способа являются:

- внесение агентом искажений в сообщение, передаваемое получателю;

- необходимость наличия у агента надежной и долговременной квантовой памяти;

- необходимость проведения агентом сложных математических преобразований в процессе измерений, требующих применение многокубитного квантового компьютера;

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Во-первых, физическая реализация способа затруднена необходимостью использования агентом надежной и долговременной квантовой памяти. В противном случае объем информации, выделенной агентом, будет незначительным.

Известен способ съема конфиденциальной информации с волоконно-оптического канала [Физика квантовой информации: Квантовая криптография. Квантовая телепортация. Квантовые вычисления / Под ред. Д.Боумейстера, А.Экерта, А.Цайлингера; Пер. с англ. С.П.Кулика, Е.А.Шапиро. - М.: Постмаркет, 2002. - 375 с]. Способ состоит в распределении ключа от отправителя к получателю по квантовому каналу и в двустороннем обмене информацией по открытому каналу, причем по волоконно-оптическому каналу информация передается в виде единичных фотонов с кодировкой поляризационных состояний фотонов в двух альтернативных базисах, не ортогональных друг другу. Открытый канал используется для проверки искажений сообщений отправителя, передаваемых через волоконно-оптический канал и возникающих вследствие съема информации агентом, причем агент имеет доступ к открытому каналу для контроля двустороннего обмена информацией между отправителем и получателем. Агент обеспечивает разрыв волоконно-оптического канала на две ВОЛС, причем получатель извлекает искомую информацию посредством измерения поляризационного состояния принимаемых им фотонов с выхода второй ВОЛС. Поток фотонов с выхода первой ВОЛС со стороны отправителя используется агентом для извлечения информации посредством измерения поляризационного состояния принимаемых им фотонов. После измерения агент направляет фотон, поляризационное состояние которого соответствует результатам этого измерения, получателю по второй ВОЛС.

Указанный способ-прототип основан на том, что агент последовательно перехватывает фотоны, генерируемые отправителем, измеряет их поляризацию и, в соответствии с полученными результатами измерений, пересылает их получателю.

Признаки способа-прототипа, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: распределение ключа от отправителя к получателю; двусторонний обмен информацией по открытому каналу; передача информации единичными фотонами с кодировкой поляризационных состояний фотонов в двух альтернативных базисах, не ортогональных друг другу; использование открытого канала для проверки искажений сообщений отправителя; доступ агента к открытому каналу для контроля двустороннего обмена информацией между отправителем и получателем; обеспечение агентом разрыва волоконно-оптического канала на две ВОЛС; извлечение получателем искомой информации посредством измерения поляризационного состояния принимаемых фотонов с выхода второй ВОЛС; извлечение агентом информации посредством измерения поляризационного состояния перехватываемых фотонов.

Недостатками известного способа являются:

- внесение агентом искажений в сообщение, передаваемое получателю;

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Попытка произвести измерения в квантовой системе искажает ее состояние. Полученная в результате такого измерения информация не полностью соответствует состоянию системы до начала измерений. Соответственно, несанкционированный съем информации (непосредственное измерение неизвестного поляризационного состояния единичного фотона) агентом в квантовом канале связи неизбежно приводит к внесению в него искажений, обнаруживаемых отправителем и получателем.

Для снижения частоты появления ошибок, вносимых агентом в перехватываемое сообщение, им должны быть перехвачены не все фотоны, а только незначительная их часть (менее 10%). При этом агент получит менее 7,5% полезной информации, которая будет еще значительно уменьшена отправителем и получателем после проведения сеанса связи по открытому каналу. Соответственно, как следствие использования на практике способа-прототипа, к его недостаткам можно отнести незначительный объем выделяемой агентом информации.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в исключении обнаружения отправителем и получателем факта несанкционированного съема конфиденциальной информации с волоконно-оптического канала, используемого для распределения ключа.

Технический результат заключается в том, что поток фотонов с выхода первой волоконно-оптической линии связи со стороны отправителя пропускают через активную волоконно-оптическую среду, где происходит квантовое усиление, причем с выхода активной волоконно-оптической среды поток фотонов разделяют на два потока, первый поток фотонов вводят во вторую волоконно-оптическую линию связи по направлению к получателю, а второй поток фотонов используется агентом для извлечения информации посредством измерения поляризационного состояния принимаемых им фотонов.

Для достижения технического результата в способе съема информации с волоконно-оптического канала, состоящем в распределении ключа от отправителя 1 к получателю 7 по волоконно-оптическому каналу 4 и в двустороннем обмене информацией по открытому каналу 13, причем по волоконно-оптическому каналу 4 информацию передают в виде единичных фотонов с кодировкой поляризационных состояний фотонов в двух альтернативных базисах, не ортогональных друг другу, причем открытый канал 13 используют для проверки искажений сообщений отправителя 1, передаваемых через волоконно-оптический канал 4 и возникающих вследствие съема информации агентом 11, причем агент 11 имеет доступ к открытому каналу 13 для контроля двустороннего обмена информацией между отправителем 1 и получателем 7, причем агент 11 обеспечивает разрыв волоконно-оптического канала 4 на две ВОЛС, причем получатель 7 извлекает искомую информацию 8 посредством измерения поляризационного состояния принимаемых им фотонов с выхода второй ВОЛС 6, причем агент 11 извлекает информацию 12 посредством измерения поляризационного состояния принимаемых им фотонов, поток фотонов с выхода первой ВОЛС 5 со стороны отправителя 1 пропускают через активную волоконно-оптическую среду 9, где происходит квантовое усиление, причем с выхода активной волоконно-оптической среды 9 поток фотонов разделяют 10 на два потока, первый поток фотонов вводится во вторую ВОЛС 6 по направлению к получателю, а второй поток фотонов используют для извлечения информации 12 агентом 11 посредством измерения поляризационного состояния принимаемых им фотонов.

Анализ существенных признаков аналогов и заявляемого технического решения выявил следующие новые существенные признаки относительно способа для заявляемого объекта.

1. Пропускание потока фотонов с выхода первой ВОЛС со стороны отправителя через активную волоконно-оптическую среду обеспечивает размножение фотонов (квантовое усиление) за счет эффекта вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами активной среды. Благодаря этому появляется возможность деления входного потока фотонов на два потока для получателя и агента.

2. Разделение потока фотонов с выхода активной волоконно-оптической среды на два потока исключает направление агентом после проведения измерений искаженного потока фотонов, в котором поляризационное состояние каждого фотона соответствует результату измерений агента, получателю по второй ВОЛС.

3. Благодаря вводу первого потока фотонов во вторую ВОЛС обеспечивается передача неискаженной агентом информации по направлению к получателю.

4. Благодаря формированию второго потока фотонов агент получает возможность извлечь информацию от отправителя посредством измерения поляризационного состояния принимаемых им фотонов, не внося искажений в процесс передачи.

Доказательство причинно-следственной связи будет дано ниже при описании работы способа.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами.

Фиг.1 иллюстрирует сущность предлагаемого способа.

На фиг.2 схематично изображен процесс вынужденного испускания фотона активной волоконно-оптической средой.

На фиг.3 изображены возможные независимые взаимные ориентации анализаторов агента и получателя и получаемые при этом результаты измерений поляризационных состояний фотонов агента Е_ф1 и получателя Е_ф.2. На фиг.3,а представлен случай, при котором агент и получатель правильно угадали базис, в котором отправитель сгенерировал свой фотон. В случае, изображенном на фиг.3,б, анализаторы агента и получателя сориентированы ошибочно, т.е. не соответствуют базису отправителя. В случае на фиг.3,в агентом правильно сориентирован свой анализатор (в базисе отправителя), а получатель - ошибочно. В случае на фиг.3,г, напротив, получателем правильно сориентирован анализатор, а агентом - ошибочно.

На фиг.4 схематично представлен случай измерения агентом поляризационного состояния фотона от отправителя и направление агентом получателю нового фотона с типом поляризации, соответствующим результату его измерений. Случай на фиг.4,а соответствует полному совпадению базисов, в которых агент и получатель измеряют поляризацию фотона с базисом, в котором этот фотон был отправлен отправителем. В случае на фиг.4,б агент не угадал базис, в котором отправитель приготовил свой фотон. Случай совпадения базисов агента и отправителя и не совпадения базисов отправителя и получателя представлен на фиг.4,в. На фиг.4,г изображен случай, при котором агент не правильно угадал базис фотона, переданного отправителем.

Работа предлагаемого способа заключается в следующем.

Рассмотрим процесс съема информации с волоконно-оптического канала 4 при использовании протокола ВВ84 (фиг.1). Не вдаваясь в подробности протокола ВВ84, проанализируем процесс извлечения информации 12, 8 агентом 11 и получателем 7 в ходе измерения поляризационных состояний принимаемых им фотонов, а также оценим количество информации, выделяемое агентом 11 и получателем 7.

Пусть отправителем 1 генерируется поток фотонов 2 с фиксированной поляризацией и энергией Е_ф=hν. Отправитель 1 кодирует поляризационное состояние каждого фотона 3 в двух альтернативных базисах, не ортогональных друг другу. Например, передаче двоичного нуля соответствуют поляризации фотонов 90° и 45°, а передаче двоичной единицы - 0° и 135°. В дальнейшем будем обозначать указанные поляризации квантово-механическими символами Дирака. Символам и соответствует двоичный нуль, а символам (↔) и - двоичная единица. С помощью этой системы кодирования отправитель 1 может послать любое сообщение получателю 7. Для обеспечения максимальной конфиденциальности, отправитель 1 кодирует фотоны 3 с указанными выше типами поляризации с одинаковой вероятностью.

Закодированный отправителем 1 поток фотонов вводится в волоконно-оптический канал 4.

Допустим, что агент 11 осуществил разрыв волоконно-оптического канала 4 на две ВОЛС. Закодированный фотон отправителя 1 с энергией Е_ф.отп=hν с выхода первой ВОЛС 5 со стороны отправителя 1 пропускается через активную волоконно-оптическую среду 9. Здесь происходит размножение фотонов (квантовое усиление) за счет эффекта вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами активной среды 9.

Волоконно-оптическая среда 9 может представлять двухуровневый атом, находящийся в возбужденном состоянии (фиг.2). Попадая в эту среду, фотон отправителя как бы выбивает один из электронов атома с возбужденного энергетического уровня Е₂ на основной уровень E₁ с испусканием нового фотона. При этом необходимым условием размножения фотонов является равенство энергии индуцированного фотона Е_ф.инд разности между энергетическими уровнями Е₂ и Е₁ атома, т.е. E_ф.инд=E₂-E₁.

Принципиально важным является то, что фотон, появившийся в результате вынужденного испускания, неразличим с фотоном, индуцировавшим этот процесс. Оба фотона распространяются в одном направлении и имеют одну и ту же энергию, частоту, фазу, поляризацию [Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. М.: Высшая школа, 2001. 573 с.].

В общем случае, первичный фотон отправителя 1, пройдя активную волоконно-оптическую среду 9, превращается в поток из n фотонов. Здесь n представляет коэффициент умножения фотонов активной волоконно-оптической средой 9. Причем все n фотонов имеют одинаковые энергию, частоту, фазу, поляризацию и распространяются в одном направлении.

С выхода активной волоконно-оптической среды 9 поток фотонов разделяется 10 на два потока, первый поток фотонов вводится во вторую ВОЛС 6 по направлению к получателю 7, а второй поток фотонов используется агентом 11 для извлечения информации 12 посредством измерения поляризационного состояния принимаемых им фотонов (фиг.1). Заметим, что при коэффициенте умножения фотонов активной волоконно-оптической средой 9 равном 2 в среднем один из пары фотонов с выхода среды 9 направляется к получателю 7, а второй - к агенту 11.

Обратимся теперь к фиг.3 и проанализируем измерения, которые проводят агент и получатель над фотонами. Здесь возможны четыре случая взаимных ориентации анализаторов агента и получателя.

На фиг.3,а представлен случай, при котором агент и получатель правильно угадали базис фотона отправителя. Здесь направление поляризации фотона полностью совпадает с одной из осей кристаллов анализаторов агента и получателя. Видно, что агент и получатель получают достоверную информацию о поляризации фотона.

В случае, изображенном на фиг.3, 6, анализаторы агента и получателя сориентированы ошибочно, т.е. не соответствуют базису отправителя. Так как фотон первоначально имел вертикальную поляризацию, то, соответственно, его состояние поляризации обозначается символом

Способ съема информации с волоконно-оптического канала

Патент 2325763