Как ошибки наведения влияют на системы квантового распределения ключей

Квантовое распределение ключей (QKD) — это перспективная технология связи, использующая принципы квантовой механики для обеспечения высокозащищённой коммуникации между двумя сторонами. Оно позволяет отправителю и получателю сгенерировать общий секретный ключ по каналу, который может прослушиваться злоумышленником. Любая попытка перехвата вносит обнаруживаемые ошибки в квантовые сигналы, что даёт сторонам возможность выявить компрометацию связи с помощью протоколов QKD.

Результаты исследования объясняют влияние ошибки наведения на показатели производительности QKD, предлагая идеи для улучшения реальных систем. Автор: «Квантовые биты» от Argonne National Laboratory. Источник изображения: Openverse.

Среди различных параметров, влияющих на производительность систем QKD, ошибка наведения (misalignment между передатчиком и приёмником) является одной из наиболее важных. Такое несовпадение может возникать из-за механических вибраций, атмосферной турбулентности и/или неточностей в механизмах юстировки.

Несмотря на её важность, очень немногие исследования комплексно изучали ошибку наведения для QKD-систем оптической беспроводной связи (OWC).

Новая аналитическая модель для ошибки наведения

Чтобы восполнить этот пробел, исследование, опубликованное в IEEE Journal of Quantum Electronics, представляет комплексную аналитическую модель для оценки влияния ошибки наведения на производительность QKD OWC-систем.

«Комбинируя статистические модели смещения луча с теорией квантового детектирования фотонов, мы вывели аналитические выражения для ключевых показателей эффективности систем QKD, прояснив точную роль ошибки наведения в ухудшении генерации защищённого ключа», — объясняет профессор Ялчин Ата из OSTIM Technical University (Турция).

Исследователи сосредоточились на широко используемом протоколе BB84 QKD и смоделировали ошибки наведения с использованием распределений Рэлея и Хойта, которые лучше описывают горизонтальные и вертикальные смещения луча, чем упрощённые модели, использовавшиеся ранее. Это позволяет точнее характеризовать случайные ошибки наведения.

Ключевые выводы и значение для QKD

Используя эти статистические модели, исследователи впервые в этой области вывели аналитические выражения для вероятностей ошибки и отсева при наличии ошибки наведения. Затем они были использованы для вычисления квантового коэффициента ошибок по битам (QBER), который показывает процент битов, искажённых из-за шумов системы, воздействия окружающей среды, несовершенств оборудования или попыток перехвата. Таким образом, QBER является ключевым показателем эффективности.

Далее исследователи использовали QBER для расчёта скорости генерации секретного ключа (SKR), которая измеряет скорость, с которой могут генерироваться общие защищённые ключи. Они проанализировали влияние ошибки наведения, вызванной как симметричным, так и асимметричным выравниванием луча.

Результаты показали, что увеличение ширины луча и, следовательно, увеличение ошибки наведения значительно ухудшает производительность QKD, что выражается в более высоком QBER и снижении SKR. Увеличение размера апертуры приёмника может улучшить производительность, но только до определённого предела.

Интересно, что асимметричное смещение луча, когда горизонтальное и вертикальное отклонения различны, оказалось благоприятным для повышения производительности. Исследователи также обнаружили, что для достижения ненулевой SKR, необходимой для безопасной связи, требуется увеличение среднего числа фотонов.

«Наши выводы, основанные на модели Рэлея-Хойта, согласуются с существующими обобщёнными моделями, одновременно предлагая новую аналитическую ясность в отношении роли асимметрии в ошибках наведения», — заключает профессор Ата.

Источник: Institute of Electrical and Electronics Engineers

ИИ: Это исследование подчёркивает важность инженерной точности в, казалось бы, сугубо теоретических областях, таких как квантовая криптография. Внедрение подобных аналитических моделей в практику может стать ключом к созданию стабильных и надёжных квантовых сетей связи будущего, что особенно актуально в свете растущих киберугроз.