Quantenkommunikation an der ITMO University - ein Projekt unzerbrechlicher Datenübertragungssysteme

Das Unternehmen Quantum Communications erstellt Verteilungssysteme für Verschlüsselungsschlüssel. Ihr Hauptmerkmal ist die Unmöglichkeit des „Abhörens“.


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Warum sind Quantennetzwerke beteiligt?


Daten gelten als geschützt, wenn ihre Entschlüsselungszeit das „Ablaufdatum“ erheblich überschreitet. Heute wird es immer schwieriger, diese Bedingung zu erfüllen - die Entwicklung von Supercomputern ist schuld. Vor einigen Jahren „beherrschte“ ein Cluster von 80 Pentium 4-basierten Computern ( S. 6 im Artikel ) die 1024-Bit-RSA-Verschlüsselung in nur 104 Stunden.

Auf einem Supercomputer wird diese Zeit erheblich kürzer sein, aber eine der Lösungen für das Problem könnte eine „absolut starke Chiffre“ sein, deren Konzept von Shannon vorgeschlagen wurde. In solchen Systemen werden für jede Nachricht Schlüssel generiert, was das Risiko ihres Abfangens erhöht.

Hier wird eine neue Art von Kommunikationsleitung zur Rettung kommen - Quantennetzwerke, die Daten (kryptografische Schlüssel) mit einzelnen Photonen übertragen. Wenn Sie versuchen, das Signal abzufangen, werden diese Photonen zerstört, was als Zeichen einer Invasion des Kanals dient. Ein solches Datenübertragungssystem wird vom kleinen innovativen Unternehmen der ITMO-Universität, Quantum Communications, entwickelt. An der Spitze stehen Arthur Glame, Leiter des Quanteninformatiklabors, und Sergey Kozlov, Direktor des Internationalen Instituts für Photonik und Optoinformatik.

Wie Technologie funktioniert


Es basiert auf der Methode der Quantenkommunikation bei Seitenfrequenzen. Seine Besonderheit ist, dass einzelne Photonen nicht direkt von der Quelle emittiert werden. Sie werden durch Phasenmodulation klassischer Impulse zu den Seitenfrequenzen getragen. Das Intervall zwischen Trägerfrequenz und Unterfrequenzen beträgt ca. 22–20 Uhr. Mit diesem Ansatz können Sie ein Quantensignal auf 200 Metern mit einer Geschwindigkeit von 400 Mbit / s senden.

Es funktioniert wie folgt: Ein spezieller Laser erzeugt einen Impuls mit einer Wellenlänge von 1550 nm und sendet ihn an den elektrooptischen Phasenmodulator. Nach der Modulation erscheinen zwei Seitenfrequenzen, die sich vom Träger durch den Wert des modulierenden Funksignals unterscheiden.

Ferner wird unter Verwendung von Phasenverschiebungen das Signal bitcodiert und an die Empfangsseite übertragen. Wenn es den Empfänger erreicht, sendet das Spektralfilter ein Seitenfrequenzsignal (unter Verwendung eines Photonendetektors) aus, führt eine wiederholte Phasenmodulation durch und entschlüsselt die Daten.

Die zum Herstellen einer sicheren Verbindung erforderlichen Informationen werden über einen offenen Kanal ausgetauscht. In den Sende- und Empfangsmodulen wird gleichzeitig ein Rohschlüssel generiert. Hierfür wird eine Fehlerrate berechnet, die anzeigt, ob versucht wurde, das Netzwerk abzuhören. Wenn alles in Ordnung ist, werden die Fehler korrigiert und ein geheimer kryptografischer Schlüssel in den Sende- und Empfangsmodulen generiert.


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Was bleibt noch zu tun?


Trotz des theoretischen „Crackens“ von Quantennetzwerken sind sie bislang keine absolute kryptografische Verteidigung. Ausrüstung hat einen großen Einfluss auf die Sicherheit. Vor einigen Jahren entdeckte eine Gruppe von Ingenieuren der University of Waterloo eine Sicherheitslücke, die Daten in einem Quantennetzwerk abfangen könnte. Es war mit der Möglichkeit eines "blinden" Fotodetektors verbunden. Wenn Sie helles Licht auf den Detektor richten, wird dieser gesättigt und registriert keine Photonen mehr. Durch Ändern der Lichtintensität können Sie dann den Sensor steuern und das System täuschen.

Um dieses Problem zu lösen, müssen Sie die Prinzipien der Empfänger ändern. Es gibt bereits einen Stromkreis geschützter Geräte, der unempfindlich gegen Angriffe auf Detektoren ist - diese Detektoren sind einfach nicht vorhanden. Solche Lösungen erhöhen jedoch die Kosten für die Einführung von Quantensystemen und sind noch nicht über das Labor hinausgegangen.

„Unser Team arbeitet auch in diese Richtung. Wir arbeiten mit kanadischen Spezialisten und anderen ausländischen und russischen Gruppen zusammen. Wenn es Ihnen gelingt, die Sicherheitslücken auf Eisenebene zu schließen, werden Quantennetzwerke weit verbreitet und ein Testfeld für die Entwicklung neuer Technologien “, sagt Arthur Glame.

Perspektiven


Immer mehr inländische Unternehmen zeigen Interesse an Quantenlösungen. Nur Quantum Communications LLC beliefert Kunden jährlich mit fünf Datenübertragungssystemen. Ein Gerätesatz kostet je nach Reichweite (10 bis 200 km) 10-12 Millionen Rubel. Der Preis ist vergleichbar mit ausländischen Partnern mit bescheideneren Betriebsparametern.

In diesem Jahr erhielt Quantum Communications eine Investition von 100 Millionen Rubel. Dieses Geld wird dem Unternehmen helfen, das Produkt auf den internationalen Markt zu bringen. Einige von ihnen werden für die Entwicklung von Projekten von Drittanbietern verwendet. Insbesondere die Schaffung von Quantenkontrollsystemen für verteilte Rechenzentren. Das Team setzt auf modulare Systeme, die sich in die vorhandene IT-Infrastruktur integrieren lassen.

Quantendatenübertragungssysteme werden in Zukunft die Basis einer neuen Art von Infrastruktur sein. Es werden SDN-Netzwerke angezeigt, die Quantenschlüsselverteilungssysteme in Kombination mit herkömmlicher Verschlüsselung verwenden, um Daten zu schützen.

Die mathematische Kryptographie wird weiterhin zum Schutz von Informationen mit einem begrenzten Zeitraum der Vertraulichkeit verwendet, und Quantenmethoden werden ihre Nische in Bereichen finden, in denen ein robusterer Datenschutz erforderlich ist.



In unserem Blog über Habré:

Source: https://habr.com/ru/post/de447956/


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