КВАНТОВЫЕ КОММУНИКАЦИОННЫЕ СЕТИ: УЖЕ ЗАВТРА

На сегодняшний день известно большое количество протоколов и экспериментальных схем квантовой криптографии (QKD). В последние годы успехи в разработке экспериментальных образцов сопровождаются повышением интереса к интегрированию систем квантовой криптографии в волоконнооптические линии связи (ВОЛС). В частности, исследуются возможности рассылки ключа и передачи данных по одному волокну, создания многоканальных систем с применением мультиплексирования и построения квантовых сетей. Также наблюдается большой интерес к созданию систем распределения квантового ключа в свободном пространстве. Это важно в двух аспектах: для создания квантовой оптики последней мили с целью увеличения оперативности сети и для создания систем космической квантовой связи с целью обеспечения передачи данных на большие расстояния.
Пионерские работы в области QKD были в большинстве случаев посвящены обеспечению обмена ключами между двумя пользователями по принципу «точкаточка». В то же время, интеграция технологии квантовой криптографии с сетевыми решениями является необходимым условием для её эффективного использования вне лабораторных условий.
На сегодняшний день существует несколько перспективных технологий квантовой рассылки ключа по наземным и воздушным линиям связи, и основным направлением развития становится внедрение квантовой криптографии в существующую сетевую инфраструктуру. Экспериментальные прототипы квантовых информационных сетей созданы в Европе, США и Японии. Сообщается об организации сети в Китае. Рекордные достигнутые в мире дальность и скорость генерации ключей в сетевом режиме по оптическому кабелю составляют 90 км и 300 кбит/c соответственно.
Первая квантовая сеть была создана в США в рамках DARPA в 2002 году. По состоянию на 2007 год сеть включала 10 узлов со средним расстоянием между ними 35 км (максимальная дальность 55 км). Генерация ключа проводилась со скоростью 1 кбит/с, коэффициент квантовых ошибок составлял не более 3%. Более свежая информация о технических характеристиках сети отсутствует в открытой печати. DARPA является также крупнейшей в мире квантовой сетью.
В 2004 году коллективами нескольких лабораторий Евросоюза был запущен проект SECOQC. Сеть состоит из 6 узлов со средним расстоянием между ними 25 км (максимальная дальность 83 км). Генерация ключа проводилась со скоростью 10 кбит/с, коэффициент квантовых ошибок составлял не более 2,6%. Проект объединил более 40 научных организаций и промышленных предприятий. В число задач проекта входила разработка сетевых протоколов для функционирования различных систем квантовой криптографии и их взаимодействия с сетевым оборудованием. Несомненным достижением стало объединение наиболее перспективных разработок в области квантовой криптографии в единую сеть: в проекте использовались plugandplay системы, системы на непрерывных переменных, системы с дифференциальным фазовым сдвигом и один канал для открытого пространства.
Следующим этапом разработки стал запуск сети SwissQuantum (20092011), состоящей из трёх узлов, удалённых на 17 км. Скорость генерации ключа составила 0,9 кбит/c при коэффициенте квантовых ошибок 2%. В сети продемонстрирована рассылка квантового ключа, передача информации в сложной сетевой инфраструктуре и продемонстрирована долгосрочная (полтора года) работоспособность систем квантовой криптографии в операционной среде.
Собственная квантовая сеть была запущена в Японии исследовательским центром Toshiba (2011). Она включает 6 узлов со средним расстоянием 45 км (максимальное 90 км). Задачей проекта была демонстрация возможности потокового шифрования в квантовой сети на средних дистанциях. Данная сеть демонстрирует рекордные параметры, благодаря использованию современного оборудования с высокими техническими характеристиками. На расстоянии 45 км битовая скорость генерации ключей составляет до 1 Мбит/c при коэффициенте квантовых ошибок 3%, что позволило впервые использовать квантовое шифрование для кодирования передаваемого в реальном времени видеопотока. В работе также был развит подход к построению многоуровневой архитектуры квантовой сети.
Следует отметить, что реализация динамической маршрутизации не входила в задачи перечисленных выше исследований.
В России работы по построению квантовых сетей на сегодняшний день не проводились.
На рынке коммерческие системы квантовой рассылки ключа производятся компаниями MagiQ (США), SeQureNet, (Франция) и (idQuantique). Все фирмы позиционируют свой продукт как предназначенный исключительно для научных исследований (R&D) в области квантовой информатики. Известно также решение компании idQuantique по совмещению технологии квантовой криптографии с системами асимметричного шифрования (“Postquantumcryptography”), однако с точки зрения теории они не обеспечивают безусловной безопасности передаваемых данных. Коммерческие системы квантовой криптографии использовались в экспериментальных работах по построению защищённых сетей, но не предполагают готовых сетевых решений.
Ограниченность квантовых коммуникаций в расстоянии вызвано, в том числе, отсутствием квантовой памяти и квантовых репитеров. Их разработка является одним из активных направлений теоретических и экспериментальных исследований. Достижения в этой области представлены в ряде обзоров и специализированных журналов. Недавние (2015 г.) экспериментальные результаты продемонстрировали многообещающие возможности квантовой памяти. Анализ существующих экспериментальных и теоретических работ показывает, что наибольшие перспективы в создании квантового репитера имеют схемы квантовой памяти, основанные на использовании эффектов фотонного эха в многоатомных ансамблях, которые открывают удобные возможности работать с большим числом фотонных кубитов.
Созданные в мире экспериментальные квантовые сети характеризуются жёстко заданной маршрутизацией. В то же время, возможность управления маршрутами в квантовой сети имеет большое значение по следующим причинам:
1.При создании разветвлённых квантовых сетей с большим количеством узлов динамический мониторинг состояния линий и выбор оптимального маршрута на его основе позволит увеличить дальность и скорость рассылки ключей.
2.Эффективное управление маршрутами позволит при необходимости распределять пропускную способность квантового канала: переключаться между режимами генерации «точкаточка» и многопользовательским.
3.Устройство QKD не позволяет осуществлять рассылку по каналу, блокированному нелегитимным пользователем. В этом случае динамическая маршрутизация в сети обеспечит поддержание связи с помощью переключения на резервные линии или альтернативные маршруты.
Ещё одной актуальной задачей является разработка сетей на основе однонаправленных схем QKD, в которых квантовые каналы разделены не по времени, а по частоте. Такой подход существенно упрощает конструкцию сетевого коммутатора, реализующего многопользовательский режим, так как избавляет от необходимости синхронизировать его с системами квантовой криптографии, в которых время прихода импульсов может меняться при изменении оптической длины пути под влиянием внешних условий.
Решение этих задач позволит эффективнее использовать системы QKD в сетевом и многопользовательском режиме.
Прорыв в передаче данных на большие расстояния был осуществлен в экспериментах на Канарских островах, где была реализована квантовая телепортация на расстояние 144 км. Воздушная квантовая сеть с расстояниями порядка 100 км была продемонстрирована в Китае. Передача одиночного фотона на спутник и обратно была осуществлена китайскими учеными в 2012 год у. В 2014 г од у итальянскими исследователями была реализована передача на спутник и обратно фотонного кубита. Главным препятствием на пути практического внедрения квантовых систем распределения ключа в атмосфере является рассеяние на турбулентных возмущениях. Возможным решением проблемы является использование однофотонных волновых пакетов приготавливаемых в квантовые состояния с ненулевым угловым моментом. Наконец, отметим большую актуальность разработки квантовых репитеров и их эффективной интеграции в системы передачи квантового ключа, в создание разветвленных квантовых сетей передачи информации на сверхдальние расстояния.
В данном проекте впервые в мировой практике предлагается выполнить разработку экспериментального макета квантовой сети с динамической маршрутизацией и новыми возможностями:
- • динамическое управление квантовыми каналами для поиска оптимального маршрута;
- • перераспределение полосы пропускания между пользователями;
- • диагностика состояния квантовых каналов в режиме реального времени, определение блокированных или повреждённых линий и построение обходных маршрутов.
Квантовая сеть будет выполнена на основе систем квантовой криптографии, предназначенных для использования в ВОЛС, к которым предъявляются следующие требования:
—высокая скорость рассылки ключей;
—функционирование в стандартных волокнах;
—устойчивость к внешним условиям на канал связи, соответствующим нормальному режиму эксплуатации ВОЛС;
—стабильность оптических схем внутри блоков отправителя и получателя;
—возможность синхронизации приёмного и передающего устройств оптическими методами.
Разработанные устройства и методы будут апробированы в рамках первого в России опытного участка квантовой сети. Проект предполагает решение следующих задач:
—разработка систем квантовой криптографии, предназначенных для использования в сетевом режиме в линиях связи телекоммуникационного стандарта;
—разработка протоколов сетевого взаимодействия систем квантовой криптографии для сетей различной топологии с динамической маршрутизацией;
—разработка и программная реализация методов и алгоритмов динамической маршрутизации (коммутации) в многоузловых (многоканальных) квантовых сетях;
—исследование, обоснование и выбор методов обеспечения качества сетевого обслуживания абонентов квантовокриптографических сетей;
—разработка лабораторного прототипа устройства динамического управления маршрутами в квантовой сети;
—создание экспериментального макета квантовой сети с динамической маршрутизацией;
—разработка методов передачи оптической квантовой информации в воздушном пространстве на дальние расстояния;
—разработка подходящей технологии реализации оптической квантовой памяти для квантового повторителя, работающего на нескольких несущих частотах;
—построение элемента квантовой сети, основанного на использовании многочастотных квантовых повторителей:
—экспериментальная демонстрация эффективной интеграции квантовой памяти и вычислителей различных пользователей в единую квантовую сеть.
В качестве решения проблемы предлагается разработать экспериментальный образец квантовой сети на основе механизма программно-конфигурируемых сетей (SDN) и метода квантовой криптографии на боковых частотах модулированного излучения (SCW QKD). Новизна проекта включает ряд аспектов:
1.Впервые будет создан экспериментальный макет квантовой сети с динамической маршрутизацией.
2.Впервые для построения квантовой сети будут использованы системы SCW QKD, предназначенные для ВОЛС телекоммуникационного стандарта.
3.Впервые будет разработан оригинальный макет сети, демонстрирующий возможность устойчивой передачи фотонных кубитов в турбулентной атмосфере.
4.В целом по проекту будет разработан и продемонстрирован макет квантовой сети с квантовыми репитерами.
Достижение этих результатов является возможным за счёт использования новых методов и технологий:
—Методы SDN позволят решить проблему маршрутизации в квантовом канале за счёт динамической коммутации и выбора оптимальных маршрутов передачи. В частности, могут быть использованы спецификации OpenFlow, предоставляющие набор средств для задания механизмов управления потоками данных, способных динамически перестраиваться в зависимости от текущего состояния сетевой инфраструктуры и требований к передаче потоков данных.
—Метод квантовой криптографии на боковых частотах обеспечит устойчивость квантового канала к внешним воздействиям на канал связи при передаче по ВОЛС, увеличит спектральную эффективность передачи и обеспечит оптическую синхронизацию узлов сети.
Технологии SDN для маршрутизации в квантовой сети ранее не использовались, и такое исследование будет проведено впервые. Использование данного подхода позволит получить следующие преимущества:
1. Совмещение технологий QKD
и SDN позволит проводить выбор оптимального маршрута на основе мониторинга состояния сети, что позволит:
—автоматически переключаться на резервные каналы связи в случае блокирования квантового канала нелегитимным пользователем или его физического повреждения;
—выбирать оптимальный маршрут с учётом минимизации потерь в канале, определения предпочтительных промежуточных узлов и т. д.;
—эффективно распределять пропускную способность квантового канала в многопользовательском режиме;
2.Создание квантовой сети на основе SCW QKD позволит использовать частотное разделение каналов в однонаправленной схеме, что существенно упростит конструкцию сетевых маршрутизаторов и коммутаторов, избавив от необходимости наличия временной синхронизации с узлами сети.
3.Использование квантовых репитеров позволит существенно увеличить масштабы квантовой сети.
Реализовать динамическую маршрутизацию в квантовой сети предлагается с помощью технологий SDN, в частности, Openfow. Этот протокол управления процессом обработки данных позволяет управлять сетевыми маршрутизаторами с центрального устройства (контроллера сети).
Такое управление заменяет или дополняет работающую на коммутаторе встроенную программу, осуществляющую построение маршрута. Таким образом, контроллер используется для управления таблицами потоков коммутаторов, на основании которых принимается решение о передаче принятого пакета на конкретный порт. Данный подход рассматривается в качестве основы для формирования структуры следующего поколения Интернет. Его применение нацелено на оптимизацию процесса управления трафиком, обеспечение сетевой безопасности, упрощения конфигурации сетевых устройств, мониторинга их состояния, а также обеспечение совместимости оборудования, используемого при построении компьютерных и специализированных сетей.
Узлы квантовой сети могут быть выполнены на основе разработанного авторами лабораторного прототипа устройства QKD на поднесущих (боковых) частотах модулированного излучения. Новизна подхода заключается в использовании новаторского метода генерации квантового канала, который образуется за счет высокочастотной фазовой модуляции оптической несущей частоты радиочастотным сигналом. Сигнал на несущей и на боковых частотах передаётся по линии связи в виде единого пакета. Данная особенность позволяет отказаться от интерферометрических схем, отличающихся низкой стабильностью и ограничивающих скорость генерации. Кодирование сигнала при этом осуществляется за счет внесения фазового сдвига в высокочастотный сигнал со стороны отправителя и получателя. Устойчивость устройства к внешним воздействиям на канал связи обеспечивается за счет применения в системе блока компенсации поляризационных искажений сигнала, осуществляющего независимую модуляцию поляризационных компонент квантового сигнала. Разработанные авторами метод генерации квантового сигнала, прототип блока компенсации поляризационных искажений квантового сигнала в волокне и поляризационной зависимости оптических модуляторов позволяют использовать для рассылки ключа обычные одномодовые волокна типа SMF28. Экспериментально подтверждённая дальность действия без использования специальных волокон составляет до 250 км со скоростью 60 бит/c и коэффициентом квантовых ошибок (QBER) менее 6%.
Разрабатываемые схемы квантовых репитеров предлагаются на основе схем квантовой памяти на многоатомных ансамблях, предложенных нами ранее. Данные варианты квантовой памяти представляются перспективными для высокоэффективной работы с большим числом фотонных кубитов и для интеграции в оптоволоконные квантовые сети.
Для воздушной квантовой связи будет использованы волновые пакеты со специальной пространственно-временной формой, что позволит значительно уменьшить вредное влияние атмосферной турбулентности на дальность передачи информации.
Принципиальные аргументы против решения поставленной проблемы предложенным способом авторам неизвестны.
В качестве возможного недостатка предлагаемого к созданию в рамках проекта макета квантовой сети можно выделить топологические ограничения, возникающие изза отсутствия в его составе квантовых повторителей. Однако предлагаемая концепция не исключает их применения и может быть в дальнейшем расширена для этого случая.
Разрабатываемая сеть предназначена для организации безусловно безопасного обмена симметричными ключами между несколькими пользователями волоконно-оптического канала связи. Потенциальных потребителей можно поделить на следующие отраслевые сегменты:
1.В государственных и правительственных структурах ключи могут использоваться для организации обмена секретными документами как внутри одного учреждениях, так и между несколькими.
2.Банковские и финансовые учреждения могут использовать квантовые системы безопасной передачи данных для использования как внутри организации, так и с клиентами. Для финансовых организаций важной задачей является возможность интеграции в существующую инфраструктуру, например, использование квантовых сетей при рассылке открытых частей ключа клиентам.
3.На промышленных предприятиях важность представляет организация многоканальной внутренней сети.
4.Организация защищенной передачи информации с космических объектов, воздушных судов и в местности, где отсутствует обычная волоконная линия связи.
Н. М. Луковникова,
директор Центра
научно-технологического форсайта
Университета ИТМО
Be the first to comment on "КВАНТОВЫЕ КОММУНИКАЦИОННЫЕ СЕТИ"