Лавинный заряд. В России создали устройства для отражения квантовых атак

В стране полным ходом прокладывают сети квантовой связи. Задача ученых — устранить все уязвимости. Чего удалось достичь, рассказал заведующий лабораторией нелинейных резонансных процессов и лазерной диагностики Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова, член-корреспондент РАН Игорь Рябцев.

Как работает квантовая связь

Обычная связь, даже зашифрованная, уже не соответствует современным требованиям безопасности. Информацию, идущую по оптоволоконным сетям, можно перехватить. Представьте себе: на одном конце линии — передатчик Алиса, на другом — приемник Боб. Алиса посылает Бобу лазерные импульсы с закодированной информацией. В каждом импульсе — миллионы, миллиарды фотонов, частиц света. Тут появляется хакер Ева, которая вставляет в оптоволоконный кабель полупрозрачное зеркало, отводит часть фотонов и получает ту же информацию. Причем незаметно.

Другое дело — квантовая система. Ключ шифрования там совершенно случаен, поскольку генерируется во время физического процесса. А носитель информации всего один: квант света (фотон). Его вполне можно отправлять по спутниковым каналам связи и оптоволоконным сетям.

"Допустим, мы посылаем импульс, в котором один фотон. Разделить его зеркалом невозможно, поэтому он уйдет либо Бобу, либо Еве. Чтобы остаться незамеченной, Еве нужно измерить состояние перехваченного фотона, создать такой же и отправить Бобу. Но это противоречит законам квантовой механики: любое измерение меняет состояние фотона. Ева вносит ошибку в систему связи и будет обнаружена", — рассказывает доктор физико-математических наук Игорь Рябцев.

Как получают одиночный фотон

Одиночный фотон обычно представляют как плоскую электромагнитную волну. Однако правильнее говорить о волновом пакете, или цуге, ограниченном во времени и пространстве, уточняет исследователь. Поэтому на лазерный луч ставят ослабитель, который поглощает большую часть фотонов, и в какой-то момент у него на выходе может появиться одиночный фотон. Ключевое слово: "может". То есть процесс абсолютно случайный.

Статистика испускания фотонов описывается распределением Пуассона. Обычно среднее число фотонов на импульс в квантовой криптографии — от 0,1 до 0,2. "Это значит, что в среднем только десять процентов импульсов содержат одиночные фотоны, остальные — преимущественно пустые", — говорит Игорь Рябцев.

Однако, по его словам, есть ненулевая вероятность испускания двух и более фотонов. И этим может воспользоваться взломщик.

"Считается, что Ева обладает любыми техническими возможностями. Значит, она может блокировать все посылки от Алисы к Бобу, содержащие один фотон, и оставлять только те, что с двумя фотонами. Тогда один она забирает себе и получает ту же информацию, что и Боб. Это называется "квантовая атака с разделением числа фотонов". Двухфотонные импульсы крайне нежелательны, вот почему ученые работают над истинными источниками одиночных фотонов", — поясняет физик.

В ИФП СО РАН такое устройство создали в середине 2000-х в группе Владимира Гайслера. Это одиночный квантовый объект — квантовая точка из арсенида индия на подложке из арсенида галлия. Гетероструктуру выращивают методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Квантовая точка излучает одиночный фотон определенной длины волны. Чтобы его выделить, ставят оксидную апертуру.

"Излучатель накачивался током и генерировал одиночные фотоны с частотой следования до одного гигагерца. Измерения проводили в Германии", — отмечает Рябцев.

Сейчас эти исследования продолжают в группе Алексея Торопова в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе РАН. Недавно ученые объявили о разработке источника одиночных фотонов для квантовых компьютеров.

Ограничения и решения

Проблема излучателей на квантовых точках в том, что для их работы нужны криогенные температуры. То есть устройство нужно заключить в гелиевый криостат. Это возможно в лабораторных условиях, но не в массовом производстве.

Другая сложность — небольшая эффективность. После сборки системы квантовой связи одиночный фотон появляется с вероятностью чуть более десяти процентов.

Наконец, помимо источника одиночного фотона, нужен еще детектор. Концепций несколько. Исторически для регистрации частицы использовали фотоэлектрические умножители — изделия хрупкие и громоздкие. Миниатюрное устройство на них не создашь.

Самый передовой на сегодняшний день детектор — на сверхпроводниковых нитях. Идея родилась в Московском педагогическом государственном университете в группе Григория Гольцмана, впоследствии основавшего компанию "Сконтел". Устройство эффективное, с низким уровнем шумов, однако, как и любой сверхпроводник, требует криогенной установки.

В ИФП СО РАН выбрали компромиссный вариант: лавинный фотодиод. "Компактное устройство с низким энергопотреблением и приемлемыми характеристиками. За основу взяли американскую конструкцию и усовершенствовали", — описывает Рябцев.

"Когда поступает один фотон, в детекторе возникает лавина зарядов, на внешней нагрузке появляется макроскопический электрический импульс", — добавляет исследователь.

Проблема все та же: детектор срабатывает не на каждый фотон. Эффективность 20 — максимум 30 процентов. "Но этого достаточно для реализации идеи квантовой криптографии", — утверждает физик.

По словам ученого, в России пока нет производства собственных лавинных фотодиодов для оптоволоконной связи с длиной излучения 1,5 микрона. Начав работу в 2015-м, физики из Новосибирска сделали такое устройство, запатентовали технологию выращивания полупроводниковой гетероструктуры и конструкции на ее основе, создали опытные образцы. Сейчас тестируют в однофотонном режиме. В целом все готово к коммерциализации.

Первую линию квантовой связи длиной 700 километров запустили в 2021-м между Москвой и Санкт-Петербургом. За проект отвечает РЖД, прокладывающая оптоволоконные сети вдоль железнодорожных путей. Следом открыли еще один участок — между Москвой и Нижним Новгородом. В этом году квантовые коммуникации охватят сразу несколько городов.