Центр НТИ Квантовые коммуникации, МФТИ, РКЦ: Технология развертывания бюджетной квантовой сети

Основная статья:Квантовый компьютер и квантовая связь

2021: Разработка архитектуры квантовой сети

Ученые Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСиС, МФТИ и РКЦ разработали архитектуру квантовой сети, которая позволяет на 28% снизить стоимость ее развертывания и обслуживания за счет использования оптических переключателей и уменьшения количества устройств квантового распределения ключей. Результаты работы опубликованы в научном журнале Optics Express. Об этом TAdviser сообщили в НИТУ «МИСиС» 21 октября 2021 года.

Представленная архитектура сети КРК, которая основана на использовании оптических переключателей и уменьшении числа устройств квантового распределения ключей

Квантовое распределение ключей (КРК) – метод передачи секретного ключа между двумя сторонами, безопасность которого основана на фундаментальных законах квантовой физики. КРК позволяет создать общий случайный ключ, который известен только передающей и принимающей сторонам, и использовать его для шифрования и расшифровывания сообщений. Важным и отличительным свойством квантового распределения ключей является возможность физически обнаружить, по возросшему уровню квантовых ошибок или другим аномалиям, присутствие третьей стороны, пытающейся получить информацию о ключе.

Создание квантовых сетей связано с рядом проблем: высокой стоимостью устройств КРК и необходимостью обеспечения разумных скоростей передачи секретных ключей между общающимися субъектами. Максимальная скорость передачи сигнала зависит от длины линии и параметров КРК-установки. Она будет «разумной», если будет больше или равна скорости расходования ключа потребителем. В противном случае ключ необходимой длины будет не успевать накапливаться, и передача шифрованных данных будет прерываться на «паузу».

Группа ученых НТИ НИТУ «МИСиС», МФТИ и РКЦ предложила решить эти затруднения в развитии сетей КРК за счет использования оптических коммутаторов существующих оптоволоконных сетей, что позволит сократить количество используемых устройств КРК.

Идея использования коммутаторов заключается в том, что оптические каналы существующей телекоммуникационной структуры очень разнородны с точки зрения потерь, поэтому скорость генерации ключей сильно различается в разных сегментах. Поэтому, по крайней мере, в случае конфигурации магистральной квантовой сети, нет смысла организовывать непрерывную генерацию ключей на всех участках - скорость генерации ключей ограничена самым медленным каналом. Таким образом, использование оптических переключателей в сегментах с низкими потерями может помочь значительно снизить общую стоимость квантовой сети, в то время как скорость генерации секретного ключа остается достаточно высокой, рассказал соавтор исследования, руководитель лаборатории теории квантовых коммуникаций Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС» Андрей Тайдуганов.

В России создали технологию развертывания бюджетной квантовой сети

Исследователи в своей работе представили архитектуру сети КРК, которая основана на использовании оптических переключателей и сокращении количества передающих и в особенности приемных устройств, в которых применяются однофотонные детекторы. Они дали соответствующую модификацию сетевого протокола сети, использовав реалистичную протестированную в лабораторных условиях модель работы протокола. С помощью данной модели был произведен расчет скоростей генерации ключа для каждого участка проектируемой магистральной квантовой сети протяженностью 670 км между Москвой и Удомлей (Тверская область), и проведена оптимизация конфигурации сети для обеспечения ее максимальной производительности. В качестве прототипа была собрана сеть из четырех узлов с одним переключателем и разработан сетевой протокол. Работа этой небольшой сети была протестирована в лабораторных условиях: проведено сравнение полученных экспериментальных результатов с предсказаниями разработанной теоретической модели, которое продемонстрировало ее валидность.

Разработчики исследовали возможные схемы сети с различным размещением устройств и предложили несколько конфигураций, которые обеспечивают снижение затрат на 28% на развертывание и обслуживание всей системы без существенной потери общей скорости передачи информации.