Ученые Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС», МФТИ и РКЦ разработали уникальную архитектуру квантовой сети.
Она 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.
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 уникальным 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 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.
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 используются 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.
Об университете
НИТУ «МИСиС» — один из наиболее динамично развивающихся научно-образовательных центров страны. Находясь в числе лидеров технологического образования России, НИТУ «МИСиС» также представляет собой полноценный научный центр. Университет занимает ведущие позиции в мире в предметных рейтингах THE, QS и ARWU сразу по 16 направлениям, входя в топ-100 в категориях «Инжиниринг–Горное дело» (рейтинг QS) и «Инжиниринг-Металлургия» (рейтинг ARWU), в области материаловедения НИТУ «МИСиС» в группе 101+ лучших вузов (рейтинг QS).
В состав университета входят 10 институтов, 6 филиалов – четыре в России и два за рубежом. В НИТУ «МИСиС» учится более 20 000 обучающихся, среди них 26% – это студенты из 84 стран мира. В университете действуют более 30 научно-исследовательских лабораторий и 3 инжиниринговых центра мирового уровня, в которых работают ведущие российские и зарубежные ученые. НИТУ «МИСиС» успешно реализует совместные проекты с крупнейшими высокотехнологичными компаниями России и мира.
