Коллектив ученых кафедры фотоники и оптоинформаттики Университета ИТМО разработал принципиально новый подход к созданию систем квантовой связи для организации высокозащищенного обмена данными, а также продемонстрировал соответствующее устройство. Передача однофотонных сигналов в системе при помощи разработанного метода возможна на расстояния более 250 километров, что не уступает самым современным зарубежным аналогам. Ранее отечественные системы квантовой коммуникации не позволяли осуществлять эффективный обмен квантовой информацией на такие расстояния без разрушения сигнала. Статья с результатами исследования была опубликована учеными в журнале Optics Express.

Сегодня защитить свои данные стремятся не только крупные холдинги, банки и оборонные предприятия – тенденция к усилению информационной безопасности наблюдается и на малых предприятиях, и у отдельных пользователей. Однако алгоритмы шифрования данных несовершенны, их логику, пусть и не сразу, но все-таки можно раскусить.
В отличие от алгоритмического шифрования, которое сейчас используется повсеместно, шифрование, основанное на фундаментальных законах квантовой физики, в будущем позволит сделать передачу данных полностью неуязвимой для хакерских атак.  В квантовом канале в качестве носителей информации выступают одиночные фотоны, необратимо изменяющиеся, «попав в руки» злоумышленника. Поэтому легитимные пользователи моментально узнают о любом вторжении в канал при попытке перехвата ключа.
Исследователи из Лаборатории квантовой информатики Международного института фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО при поддержке коллег из университета Хериот-Ватт в Эдинбурге (Шотландия) разработали новую технологию для эффективной генерации и рассылки квантовых бит, а также создали соответствующее устройство для квантовой связи. Это первая отечественная система, которая по совокупности характеристик способна конкурировать с лучшими мировыми разработками и может обеспечить передачу квантового сигнала по оптическому волокну на расстояния более 250 километров.
«Для рассылки квантовых бит мы используем так называемые боковые частоты, – рассказывает руководитель Лаборатории квантовой информатики Артур Глейм. – Такой подход дает нам ряд существенных преимуществ. В частности, это ведет к существенному упрощению конструкции устройства, высокой устойчивости к внешним воздействиям и большой пропускной способности квантового канала связи. По скорости и дальности передачи информации наша система сопоставима с абсолютными рекордами в области квантовой  коммуникации».
Принципиальная возможность устойчивой передачи квантового сигнала по оптическим линиям связи является основой для последующего внедрения систем квантовой криптографии, при помощи которых в будущем будет происходить защищённая передача ключей шифрования.
По мнению Роберта Коллинза, научного сотрудника Института фотоники и квантовых наук, Школы физико-технических наук Университета Хериот-Ватт, работа ученых может стать отправной точной для будущего развития всей квантовой криптографии.
«В перспективе данный 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», –  считает он.
Для кодирования квантовых бит лазерное излучение направляют на специальное устройство – электрооптический фазовый модулятор. В нем центральная несущая волна, исходящая от лазера, расщепляется на несколько независимых волн. После передачи по оптической линии связи в блоке получателя независимо выполняется аналогичное расщепление. От фазового сдвига созданных отправителем и получателем волн относительно друг друга будет зависеть, усилят они друг друга или погасят. После их детектирования и обработки получаются на выходе нули и единицы, из комбинации которых состоит квантовый ключ.
Именно метод кодирования квантовых бит при помощи разности фаз позволяет достичь высокой стабильности сигнала в системе.
«При прохождении через оптоволоконный кабель, – поясняет Олег Банник, один из разработчиков системы, сотрудник Лаборатории квантовой информатики Университета ИТМО, – все волны претерпевают непредвиденные изменения, которые везде одинаковы, благодаря чему при повторном прохождении волн через модулятор получателя изменения нивелируются и мы имеем ту же самую комбинацию, что и у отправителя».
Теперь перед разработчиками стоит задача создания полноценной квантово-криптографической системы и подготовка стандартов, которые позволят осуществить её внедрение в сотрудничестве с государственными и коммерческими структурами.
Статья: «Secure polarization-independent subcarrier quantum key distribution in optical fiber channel using BB84 protocol with a strong referenc» , A. V. Gleim, V. I. Egorov, R. J. Collins, et al. Optics Express, Feb. 2, 2016.