Способ передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах
Владельцы патента RU 2382503:
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "КОНЦЕРН "СИСТЕМПРОМ" (RU)
Изобретение относится к квантовым криптосистемам и может быть использовано для формирования секретных ключей, применяемых для шифрования информации в квантовых системах передачи данных. Технический результат состоит в увеличении дальности распространения секретного ключа. Для этого в способе на передающей стороне генерируют последовательность одиночных квантовых частиц, первую и вторую случайную последовательность символов, выбирают в соответствии со значением очередного символа, модулируют квантовое состояние квантовой частицы, передают модулированную квантовую частицу через первый квантовый канал связи на первый промежуточный пункт, во втором промежуточном пункте генерируют последовательность находящихся в перепутанном состоянии пар квантовых частиц, передают первую из них через второй квантовый канал связи на первый промежуточный пункт, а вторую - через третий квантовый канал связи на приемную сторону, в первом промежуточном пункте измеряют состояние Белла модулированной квантовой частицы и первой квантовой частицы перепутанной пары, передают результат измерения через второй несекретный канал связи на передающую сторону, на приемной стороне генерируют третью случайную последовательность символов, передают ее через первый несекретный канал связи на передающую сторону, выбирают в соответствии с ней о поляризационный базис и демодулируют квантовое состояние второй квантовой частицы перепутанной пары, определяют значение принятого кодового символа, на передающей стороне сравнивают значения очередных символов второй и третьей случайных последовательностей символов, определяют позиции в первой случайной последовательности кодовых символов, на которых значения символов второй и третьей случайных последовательностей символов совпадают, определяют для каждой из указанных позиций квантовой состояние второй квантовой частицы соответствующей перепутанной пары, формируют символы секретного ключа путем выбора символов первой случайной последовательности кодовых символов, расположенных на соответствующих позициях, причем значения выбранных символов либо оставляют неизменными, либо инвертируют в зависимости от поляризации второй квантовой частицы соответствующей перепутанной пары, передают информацию о данных позициях через первый несекретный канал связи на приемную сторону, на которой формируют символы секретного ключа путем выбора соответствующих принятых символов первой случайной последовательности кодовых символов. 1 ил., 2 табл.
Изобретение относится к квантовым криптосистемам и может быть использовано для формирования на основе специфических свойств модулированных по поляризации одиночных квантовых частиц секретных ключей, применяемых для шифрования информации в квантовых системах передачи данных.
Известен способ передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах, согласно которому на передающей стороне генерируют последовательность одиночных квантовых частиц, генерируют первую случайную последовательность кодовых символов, генерируют вторую случайную последовательность символов, выбирают в соответствии со значением очередного символа второй случайной последовательности символов прямоугольный или диагональный поляризационный базис для модуляции квантового состояния очередной одиночной квантовой частицы, модулируют квантовое состояние очередной одиночной квантовой частицы в соответствии со значением очередного символа первой случайной последовательности кодовых символов, передают очередную модулированную одиночную квантовую частицу через первый квантовый канал связи на приемную сторону, на приемной стороне генерируют третью случайную последовательность символов, передают очередной символ третьей случайной последовательности символов через первый несекретный канал связи на передающую сторону, выбирают в соответствии со значением очередного символа третьей случайной последовательности символов прямоугольный или диагональный поляризационный базис для демодуляции квантового состояния очередной модулированной одиночной квантовой частицы, поступившей через первый квантовый канал связи на приемную сторону, демодулируют квантовое состояние очередной модулированной одиночной квантовой частицы, поступившей через первый квантовый канал связи, определяют значение очередного принятого символа первой случайной последовательности кодовых символов по результату демодуляции квантового состояния очередной модулированной одиночной квантовой частицы, на передающей стороне сравнивают значения очередных символов второй и третьей случайных последовательностей символов, определяют позиции в первой случайной последовательности кодовых символов, на которых значения символов второй и третьей случайных последовательностей символов совпадают, формируют символы секретного ключа путем выбора символов первой случайной последовательности кодовых символов, расположенных на позициях, на которых значения символов второй и третьей случайных последовательностей символов совпадают, передают информацию о позициях, на которых значения символов второй и третьей случайных последовательностей символов совпадают, через первый несекретный канал связи на приемную сторону, на приемной стороне формируют символы секретного ключа путем выбора соответствующих принятых символов первой случайной последовательности кодовых символов, расположенных на позициях, на которых значения символов второй и третьей случайных последовательностей символов совпадают [1].
Известный способ передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах для создания секретного ключа в виде случайной последовательности единиц и нулей использует известный протокол ВВ84 [2].
Известный способ передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах позволяет формировать секретный ключ путем использования свойств физических процессов квантового уровня. В квантовой теории и практике установлено, что несанкционированный доступ к одиночному фотону невозможен. Его нельзя незаметно клонировать, т.к. любое взаимодействие с ним в первом квантовом канале связи обнаруживается на приемной стороне.
Однако недостатком известного способа передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах является ограничение дальности распространения секретного ключа дальностью распространения одиночного фотона, несущего кодовый бит, в первом квантовом канале, что обусловлено принципиальной невозможностью клонировать одиночный фотон и вытекающей из этого невозможностью ретрансляции одиночного фотона с целью увеличения дальности его распространения. При этом дальность распространения одиночного фотона определяется затуханием его энергии в оптическом квантовом канале.
Технический результат состоит в увеличении дальности распространения секретного ключа.
Для достижения указанного технического результата в способ передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах, согласно которому на передающей стороне генерируют последовательность одиночных квантовых частиц, генерируют первую случайную последовательность кодовых символов, генерируют вторую случайную последовательность символов, выбирают в соответствии со значением очередного символа второй случайной последовательности символов прямоугольный или диагональный поляризационный базис для модуляции квантового состояния очередной одиночной квантовой частицы, модулируют квантовое состояние очередной одиночной квантовой частицы в соответствии со значением очередного символа первой случайной последовательности кодовых символов, передают очередную модулированную одиночную квантовую частицу через первый квантовый канал связи, на приемной стороне генерируют третью случайную последовательность символов, передают очередной символ третьей случайной последовательности символов через первый несекретный канал связи на передающую сторону, выбирают в соответствии со значением очередного символа третьей случайной последовательности символов прямоугольный или диагональный поляризационный базис для демодуляции квантового состояния очередной квантовой частицы, поступившей через квантовый канал связи на приемную сторону, демодулируют квантовое состояние очередной квантовой частицы, поступившей через квантовый канал связи на приемную сторону, определяют значение очередного принятого символа первой случайной последовательности кодовых символов по результату демодуляции квантового состояния очередной квантовой частицы, поступившей через квантовый канал связи на приемную сторону, на передающей стороне сравнивают значения очередных символов второй и третьей случайных последовательностей символов, определяют позиции в первой случайной последовательности кодовых символов, на которых значения символов второй и третьей случайных последовательностей символов совпадают, формируют символы секретного ключа путем выбора символов первой случайной последовательности кодовых символов, расположенных на позициях, на которых значения символов второй и третьей случайных последовательностей символов совпадают, передают информацию о позициях, на которых значения символов второй и третьей случайных последовательностей символов совпадают, через первый несекретный канал связи на приемную сторону, на приемной стороне формируют символы секретного ключа путем выбора соответствующих принятых символов первой случайной последовательности кодовых символов, расположенных на позициях, на которых значения символов второй и третьей случайных последовательностей символов совпадают, введены следующие новые операции и изменения в существующие операции: на передающей стороне очередную модулированную одиночную квантовую частицу передают через первый квантовый канал связи на первый промежуточный пункт, расположенный между передающей и приемной сторонами, во втором промежуточном пункте, расположенном между первым промежуточным пунктом и приемной стороной, генерируют последовательность находящихся в перепутанном состоянии пар квантовых частиц, передают первую квантовую частицу очередной перепутанной пары через второй квантовый канал связи на первый промежуточный пункт, передают вторую квантовую частицу очередной перепутанной пары через третий квантовый канал связи на приемную сторону, в первом промежуточном пункте измеряют состояние Белла очередной модулированной одиночной квантовой частицы, переданной через первый квантовый канал связи, и первой квантовой частицы очередной перепутанной пары, переданной через второй квантовый канал связи, передают результат измерения состояния Белла очередной модулированной одиночной квантовой частицы и первой квантовой частицы очередной перепутанной пары через второй несекретный канал связи на передающую сторону, на приемной стороне прямоугольный или диагональный поляризационный базис в соответствии со значением очередного символа третьей случайной последовательности символов выбирают для демодуляции квантового состояния второй квантовой частицы очередной перепутанной пары, поступившей через третий квантовый канал связи, демодулируют квантовое состояние второй квантовой частицы (второго фотона) очередной перепутанной пары, поступившей через третий квантовый канал связи, значение очередного принятого символа первой случайной последовательности кодовых символов определяют по результату демодуляции квантового состояния второй квантовой частицы очередной перепутанной пары и по значению очередного символа третьей случайной последовательности символов, на передающей стороне определяют для каждой из указанных позиций квантовое состояние (поляризацию) второй квантовой частицы (второго фотона) соответствующей перепутанной пары по принятому результату измерения состояния Белла соответствующей модулированной одиночной квантовой частицы (модулированного одиночного фотона) и первой квантовой частицы (первого фотона) соответствующей перепутанной пары и значению соответствующего символа третьей случайной последовательности символов, причем значения выбранных для формирования символов секретного ключа символов либо оставляют неизменными, либо инвертируют в зависимости от поляризации второй квантовой частицы (второго фотона) соответствующей перепутанной пары.
Предлагаемый способ передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах обеспечивает увеличение дальности распространения секретного ключа без ухудшения криптостойкости.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включая поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, сведения об аналогах заявленного технического решения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявленного технического решения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков заявленного способа передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "новизна".
Проведенный заявителем дополнительный поиск не выявил известные решения, содержащие признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах. Следовательно, заявленное техническое решение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного технического решения преобразований для достижения технического результата. Заявленное техническое решение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
Предлагаемый способ передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах предполагает выполнение известных в квантовых системах операций, которые могут быть реализованы с помощью известных функциональных элементов.
На чертеже представлена одна из возможных структурных схем поляризационной квантовой криптосистемы, реализующей заявленный способ передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах для частного случая использования фотонов в качестве квантовых частиц, передаваемых по квантовым каналам связи.
Поляризационная квантовая криптосистема (см. чертеж) содержит передающую и приемную стороны 1 и 2. В состав передающей стороны 1 входят первый блок 3 формирования секретного ключа, выход которого является первым выходом криптосистемы, первый и второй датчики 4 и 5 случайных чисел, однофотонный лазер 6 и поляризационный модулятор 7. Выход поляризационного модулятора 7 соединен с входом первого квантового канала 8 связи. Вход/выход обмена данными первого блока 3 формирования секретного ключа соединен с первым несекретным каналом 9 связи. В состав приемной стороны 2 входят второй блок 10 формирования секретного ключа, выход которого является вторым выходом криптосистемы, третий датчик 11 случайных чисел, поляризационный светоделитель 12, неподвижное зеркало 13, первый и второй детекторы 14 и 15 фотонов. Вход/выход обмена данными второго блока 10 формирования секретного ключа соединен с первым несекретным каналом 9 связи. Поляризационная квантовая криптосистема также содержит второй несекретный канал 16 связи, измеритель 17 полного набора состояний Белла, второй квантовый канал 18 связи, источник 19 перепутанных по поляризации пар фотонов и третий квантовый канал 20 связи.
На передающей стороне 1 первый вход поляризационного модулятора 7 соединен с выходом однофотонного лазера 6, второй вход - с выходом первого датчика 4 случайных чисел и с первым входом первого блока 3 формирования секретного ключа, третий вход - с выходом второго датчика 5 случайных чисел и со вторым входом первого блока 3 формирования секретного ключа. На приемной стороне 2 первый вход второго блока 10 формирования секретного ключа подключен к выходу третьего датчика 11 случайных чисел и к первому входу поляризационного светоделителя 12, первый выход которого соединен посредством неподвижного зеркала 13 с входом первого детектора 14 фотонов, выход которого подключен ко второму входу второго блока 10 формирования секретного ключа, третий вход которого соединен с выходом второго детектора 15 фотонов, вход которого соединен со вторым выходом поляризационного светоделителя 12.
Выход первого квантового канала 8 связи подключен к первому входу измерителя 17 полного набора состояний Белла, выход которого соединен через второй несекретный канал 16 связи с третьим входом первого блока 3 формирования секретного ключа. Первый выход источника 19 перепутанных по поляризации пар фотонов соединен через второй квантовый канал 18 связи со вторым входом измерителя 17 полного набора состояний Белла. Второй выход источника 19 перепутанных по поляризации пар фотонов соединен через третий квантовый канал 20 связи со вторым входом поляризационного светоделителя 12.
Передающая сторона 1 и измеритель 17 полного набора состояний Белла пространственно разнесены друг относительно друга на расстояние, определяемое длиной первого квантового канала 8. Измеритель 17 полного набора состояний Белла и источник 19 перепутанных по поляризации пар фотонов разнесены на расстояние, определяемое длиной второго квантового канала 18. Источник 19 перепутанных по поляризации пар фотонов и принимающая сторона 2 разнесены на расстояние, определяемое длиной третьего квантового канала 20. При этом длины первого, второго и третьего квантовых каналов 8, 18 и 20 определяются дальностью распространения одиночного фотона в квантовом канале.
Измеритель 17 полного набора состояний Белла описан в [3], остальные элементы известны из прототипа [1].
Поляризационная квантовая криптосистема (см. чертеж) работает следующим образом.
Создание секретного ключа в виде случайной последовательности единиц и нулей согласно предлагаемому способу передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах в данной поляризационной квантовой криптосистеме осуществляют на основе известного протокола ВВ84 [2].
На передающей стороне 1 генерируют последовательность одиночных фотонов с помощью однофотонного лазера 6 и подают ее на первый вход поляризационного модулятора 7, генерируют первую случайную последовательность кодовых символов с помощью первого датчика 4 случайных чисел и подают ее на второй вход поляризационного модулятора 7, генерируют вторую случайную последовательность символов с помощью второго датчика 5 случайных чисел и подают ее на третий вход поляризационного модулятора 7. При этом первую случайную последовательность кодовых символов с выхода первого датчика 4 случайных чисел и вторую случайную последовательность символов с выхода второго датчика 5 случайных чисел подают также соответственно на первый и второй входы первого блока 3 формирования секретного ключа.
Далее выбирают в соответствии со значением очередного символа второй случайной последовательности символов прямоугольный (⊕) или диагональный (⊗) поляризационный базис для модуляции квантового состояния очередного одиночного фотона в поляризационном модуляторе 7 и модулируют квантовое состояние очередного одиночного фотона в соответствии со значением очередного символа первой случайной последовательности кодовых символов с помощью поляризационного модулятора 7.
При передаче символа «1» модулированный одиночный фотон Ф1 имеет вертикальную поляризацию в прямоугольном поляризационном базисе (⊕) или повернутую на +45° поляризацию в диагональном поляризационном базисе (⊗). При передаче символа «0» модулированный одиночный фотон Ф1 имеет горизонтальную поляризацию в прямоугольном поляризационном базисе (⊕) или повернутую на - 45° поляризацию в диагональном поляризационном базисе (⊗).
Затем передают очередной модулированный одиночный фотон Ф1 через первый квантовый канал 8 связи на первый вход измерителя 17 полного набора состояний Белла, расположенный на первом промежуточном пункте.
Во втором промежуточном пункте, расположенном между первым промежуточным пунктом и приемной стороной 2, генерируют последовательность находящихся в перепутанном состоянии пар фотонов Ф2 и Ф3, перепутанных по поляризации, с помощью источника 19 перепутанных по поляризации пар фотонов.
Источник 19 перепутанных по поляризации пар фотонов последовательно излучает пары фотонов Ф2 и Ф3, находящихся в перепутанном состоянии
- поляризация соответствующих фотонов,
- состояние фотона в обозначениях Дирака.
Первый фотон Ф2 очередной перепутанной пары передают с первого выхода источника 19 перепутанных по поляризации пар фотонов через второй квантовый канал 18 связи на второй вход измерителя 17 полного набора состояний Белла, расположенного на первом промежуточном пункте.
Второй фотон ФЗ очередной перепутанной пары передают со второго выхода источника 19 перепутанных по поляризации пар фотонов через третий квантовый канал 20 связи на второй вход поляризационного светоделителя 12, расположенного на приемной стороне 2.
В первом промежуточном пункте, расположенном между передающей стороной 1 и вторым промежуточным пунктом, измеряют состояние Белла очередного модулированного одиночного фотона Ф1, переданного через первый квантовый канал 8 связи, и первого фотона Ф2 очередной перепутанной пары, переданного через второй квантовый канал 18 связи, с помощью измерителя 17 полного набора состояний Белла.
Совместное состояние всех трех фотонов Ф1, Ф2 и Ф3
где 
- одно из состояний поляризации фотона Ф1, определяемое кодовым битом (первым датчиком 4 случайных чисел) и выбранным поляризационным базисом (вторым датчиком 5 случайных чисел).
В общем виде состояние 
поляризации фотона Ф1 можно записать как
где переменные α, β могут принимать значения 0, 1, 
.
Подставляя в (2) выражения (1) и (3), а затем в каждом из полученных слагаемых произведя разложение совместных состояний фотона Ф1, несущего кодовый бит, и фотона Ф2 перепутанной пары по полному базису Белла, получим
где 
- базисные векторы, которые подлежат измерению в измерителе 17 полного набора состояний Белла.
S0, S1, S2 - операторы Стокса [4], действие которых на состояние 
имеет вид
.
.
В зависимости от результата измерения состояний Белла фотонов Ф1 и Ф2 поляризационное состояние фотона Ф3 перепутанной пары с вероятностью 0,25 телепортируется в одно из четырех состояний 
.
Результат измерения состояний Белла очередного модулированного одиночного фотона Ф1, несущего кодовый символ, и первого фотона Ф2 очередной перепутанной пары, полученный с помощью измерителя 17 полного набора состояний Белла, передают с его выхода через второй несекретный канал 16 связи на третий вход первого блока 3 формирования секретного ключа, расположенного на передающей стороне 1.
На приемной стороне 2 генерируют третью случайную последовательность символов с помощью третьего датчика 11 случайных чисел и подают ее с его выхода на первый вход поляризационного светоделителя 12 и на первый вход второго блока 10 формирования секретного ключа.
Затем выбирают в соответствии со значением очередного символа третьей случайной последовательности символов прямоугольный (⊕) или диагональный (⊗) поляризационный базис для демодуляции (определения) квантового состояния второго фотона ФЗ очередной перепутанной пары, поступившего через третий квантовый канал 20 связи на второй вход поляризационного светоделителя 12.
При этом очередность выбора вертикальной (90°) или горизонтальной (0°) поляризации в прямоугольном поляризационном базисе (⊕) или поляризации под углами (+45°) и (-45°) в диагональном поляризационном базисе (⊗) случайна как в поляризационном модуляторе 7 на передающей стороне 1, так и в поляризационном светоделителе 12 на приемной стороне 2. Эта случайность обеспечивается соответственно вторым и третьим датчиками 5 и 11 случайных чисел.
Далее демодулируют (определяют) квантовое состояние второго фотона Ф3 очередной перепутанной пары, поступившего через третий квантовый канал 20 связи на приемную сторону 2, с помощью поляризационного светоделителя 12, неподвижного зеркала 13, первого и второго детекторов 14 и 15 фотонов.
В зависимости от типа поляризации второй фотон Ф3 очередной перепутанной пары проходит либо на первый выход поляризационного светоделителя 12 и далее с помощью неподвижного зеркала 13 на вход первого детектора 14 фотонов, либо на второй выход поляризационного светоделителя 12 и далее на вход второго детектора 15 фотонов.
В результате второй блок 10 формирования секретного ключа при приеме каждого второго фотона Ф3 очередной перепутанной пары получает от третьего датчика 11 случайных чисел данные "1" или "0", определяющие прямоугольный (⊕) или диагональный (⊗) поляризационный базис поляризационного светоделителя 12, а от первого и второго детекторов 14 и 15 фотонов - значения "1", "0" или "0,7" их выходных сигналов, по которым он определяет квантовое состояние (поляризацию 
или 
) второго фотона ФЗ очередной перепутанной пары.
После этого с помощью второго блока 10 формирования секретного ключа определяют значение "1" или "0" очередного принятого кодового символа первой случайной последовательности кодовых символов по квантовому состоянию второго фотона Ф3 очередной перепутанной пары и значению очередного символа третьей случайной последовательности символов в соответствии с табл.1.
| Таблица 1 | |||||
| Возможные исходы приема второго фотона Ф3 | |||||
| очередной перепутанной пары | |||||
| Выходные сигналы | Квантовое | ||||
| Значения символов третьей последовательности | первого детектора 14 фотонов | второго детектора 15 фотонов | Поляризационный базис поляризационного светоделителя 12 | состояние (поляризация) фотона Ф3 | Значение принятого кодового символа |
| 1 | 1 | 0 | ⊕ |
 |
«1» |
| 0 | 0 | 0,7 | ⊗ |
|
«нет» |
| 1 | 0 | 0 | ⊕ |
|
«0» |
| 0 | 0 | 0,7 | ⊗ |
|
«нет» |
| 1 | 0,7 | 0 | ⊕ |
 или- 
|
«нет» |
| 0 | 0 | 1 | ⊗ |
или-
|
«1» |
| 0 | 0 | 0 | ⊗ |
 или- 
|
«0» |
| 1 | 0,7 | 0 | ⊕ |
или-
|
«нет» |
Далее для выработки одинакового для передающей и приемной сторон 1 и 2 секретного ключа, который невозможно выделить по наблюдениям одиночных фотонов в первом, втором или третьем квантовых каналах 8, 18 или 20 связи, предлагаемый способ передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах предусматривает использование первого несекретного канала 9 связи. По этому каналу передают очередной символ третьей случайной последовательности символов с входа/выхода обмена данными второго блока 10 формирования секретного ключа через первый несекретный канал 9 связи на вход/выход обмена данными первого блока 3 формирования секретного ключа, расположенного на передающей стороне 1. В результате первый блок 3 формирования секретного ключа на передающей стороне 1 получает информацию о выбранных в поляризационном светоделителе 12 поляризационном базисе (⊕ или ⊗) при приеме каждого второго фотона ФЗ очередной перепутанной пары, переносящего кодовый символ.
При этом значение "1" или "0" переносимого каждым вторым фотоном Ф3 очередной перепутанной пары кодового символа, определяемое вторым блоком 10 формирования секретного ключа, этот блок в первый несекретный канал 9 связи не посылает.
На передающей стороне 1 с помощью первого блока 3 формирования секретного ключа сравнивают значения очередных символов второй и третьей случайных последовательностей символов, т.е. сравнивают для каждого передаваемого в первый квантовый канал 8 связи очередного модулированного одиночного фотона Ф1 и каждого принимаемого из третьего квантового канала 20 второго фотона Ф3 очередной перепутанной пары поляризационные базисы поляризационного модулятора 7 и поляризационного светоделителя 12.
Затем с помощью первого блока 3 формирования секретного ключа определяют позиции в первой случайной последовательности кодовых символов, на которых значения символов второй и третьей случайных последовательностей символов совпадают, т.е. совпадают указанные поляризационные базисы.
На этих позициях в зависимости от поляризации второго фотона ФЗ очередной перепутанной пары либо совпадают, либо взаимно инвертированы значение переданного кодового символа, заданного на передающей стороне первым датчиком 4 случайных чисел, и соответствующее значение принятого кодового символа, определяемое на приемной стороне вторым блоком 10 формирования секретного ключа.
Далее с помощью первого блока 3 формирования секретного ключа однозначно определяют в соответствии с табл.2 для каждой из указанных позиций квантовое состояние (поляризацию 
или - второго фотона Ф3 соответствующей перепутанной пары по значениям соответствующих символов первой, второй и третьей случайных последовательностей символов и принятому результату измерения состояний Белла соответствующего модулированного одиночного фотона Ф1 и первого фотона Ф2 соответствующей перепутанной пары.
После этого с помощью первого блока 3 формирования секретного ключа формируют символы секретного ключа путем выбора символов первой случайной последовательности кодовых символов, расположенных на позициях, на которых значения символов второй и третьей случайных последовательностей символов совпадают, т.е. совпадают поляризационные базисы поляризационного модулятора 7 и поляризационного светоделителя 12. При этом значения выбранных символов либо оставляют неизменными, либо инвертируют в зависимости от поляризации второго фотона ФЗ соответствующей перепутанной пары в соответствии с табл.2. Тем самым формируют биты секретного ключа на передающей стороне 1.
Затем передают информацию о позициях, на которых значения символов второй и третьей случайных последовательностей символов совпадают, с входа/выхода обмена данными первого блока 3 формирования секретного ключа через первый несекретный канал 9 связи на вход/выход обмена данными второго блока 10 формирования секретного ключа, расположенного на приемной стороне 2.
| Таблица 2 | |||||||
| Поляризация второго фотона Ф3 соответствующей перепутанной пары и значение символа ключа при возможных исходах измерения состояний Белла | |||||||
| Значения символов случайных последовательностей | Результат измерения состояний Белла | Значение символа ключа | |||||
| первой последовательности | второй последовательности | третьей последовательности | |||||
| 1 | 2 | 3 |
|
|
|
|
|
| 1 | 1 | 1 |
|
|
«1» | ||
| 1 | 1 | 0 |
|
|
«нет» | ||
| 1 | 1 | 1 |
|
|
«0» | ||
| 1 | 1 | 0 |
 , |
|
«нет» | ||
| 0 | 1 | 1 |
|
-
|
«1» | ||
| 0 | 1 | 0 |
|
-
|
«нет» | ||
| 0 | 1 | 1 |
|
-
|
«0» | ||
| 0 | 1 | 0 |
|
-
|
«нет» | ||
| 1 | 0 | 1 |
|
|
«нет» | ||
| 1 | 0 | 0 |
|
|
«1» | ||
| 1 | 0 | 1 |
|
|
«нет» | ||
| 1 | 0 | 0 |
|
|
«0» | ||
| 0 | 0 | 1 |
|
|
«нет» | ||
| 0 | 0 | 0 |
|
|
«1» | ||
| 0 | 0 | 1 |
|
|
«нет» | ||
| 0 | 0 | 0 |
|
|
«0» |
В результате второй блок 10 формирования секретного ключа на приемной стороне 2 получает информацию о позициях, на которых поляризационные базисы поляризационного модулятора 7 и поляризационного светоделителя 12 совпали. При этом значения "1" или "0" кодовых символов первый блок 3 формирования секретного ключа в первый несекретный канал 9 связи не посылает.
На приемной стороне 2 с помощью второго блока формирования секретного ключа формируют символы секретного ключа путем выбора соответствующих принятых символов первой случайной последовательности кодовых символов, расположенных на позициях, на которых значения символов второй и третьей случайных последовательностей символов совпали, т.е. совпали поляризационные базисы поляризационного модулятора 7 и поляризационного светоделителя 12.
Таким образом, на передающей стороне 1 однозначно определяют значения символов секретного ключа, полученного на приемной стороне 2, при условии случайного совпадения поляризационных базисов при модуляции и демодуляции соответствующих фотонов.
Длины первого квантового канала 8, второго квантового канала 18 и третьего квантового канала 20 выбираются, исходя из условия уверенного приема одиночного фотона. В результате общая дальность распространения секретного ключа при использовании заявленного способа передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах будет равна сумме длин первого, второго и третьего квантовых каналов 8, 18 и 20, т.е. увеличивается по сравнению с аналогичной дальностью в известном способе передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах на суммарную длину второго и третьего квантовых каналов 18 и 20.
При этом как в первом и втором несекретных каналах 9 и 16 связи, так и в первом, втором и третьем квантовых каналах 8, 18 и 20, увеличивающих дальность действия поляризационной квантовой криптосистемы в соответствии с предлагаемым способом передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах, информация о секретном ключе отсутствует, т.к. по законам телепортации квантовой механики информация о квантовом ключе в первом и втором фотонах Ф2 и Ф3 перепутанной пары возникает только в момент измерения состояния одного из этих фотонов. Это обеспечивает защищенность от несанкционированных утечек информации о кодовых символах за пределами охраняемых зон.
Изложенные выше сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- средства, воплощающие заявленный способ передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах при его осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно в криптосистемах передачи данных, в частности в квантовых криптосистемах;
- для заявленного способа передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах для его реализации в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "промышленная применимость".
При использовании заявленного способа передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах достигается увеличение дальности распространения секретного ключа в 3 раза по сравнению с использованием известного способа передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах без ухудшения криптостойкости.
Литература
1. Физика квантовой информации / Под редакцией Д.Боумейстера и др. - М.: Постмаркет, 2002, стр.50-51.
2. C.H.Bennett, G.Brassard. Ргос.IEEE Int Conference on Computers, Sistem and Signal Processing, IEEE, New York, 1984.
3. Yoon-Ho Kim, Sergei P. Kulik and Yanhua Shin. Quantum Teleportation wit a Complete Bell State Measurement. Phys. Rev. Lett. 86, №7, 2001, p.1370-1373.
4. Д.Н.Клышко. Успехи физических наук. т.168, №9, 1998, стр.992-993.
Способ передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах, заключающийся в том, что на передающей стороне генерируют последовательность одиночных квантовых частиц, генерируют первую случайную последовательность кодовых символов, генерируют вторую случайную последовательность символов, выбирают в соответствии со значением очередного символа второй случайной последовательности символов прямоугольный или диагональный поляризационный базис для модуляции квантового состояния очередной одиночной квантовой частицы, модулируют квантовое состояние очередной одиночной квантовой частицы в соответствии со значением очередного символа первой случайной последовательности кодовых символов, передают очередную модулированную одиночную квантовую частицу через первый квантовый канал связи, на приемной стороне генерируют третью случайную последовательность символов, передают очередной символ третьей случайной последовательности символов через первый несекретный канал связи на передающую сторону, выбирают в соответствии со значением очередного символа третьей случайной последовательности символов прямоугольный или диагональный поляризационный базис для демодуляции квантового состояния очередной квантовой частицы, поступившей через квантовый канал связи на приемную сторону, демодулируют квантовое состояние очередной квантовой частицы, поступившей через квантовый канал связи на приемную сторону, определяют значение очередного принятого символа первой случайной последовательности кодовых символов по результату демодуляции квантового состояния очередной квантовой частицы, поступившей через квантовый канал связи на приемную сторону, на передающей стороне сравнивают значения очередных символов второй и третьей случайных последовательностей символов, определяют позиции в первой случайной последовательности кодовых символов, на которых значения символов второй и третьей случайных последовательностей символов совпадают, формируют символы секретного ключа путем выбора символов первой случайной последовательности кодовых символов, расположенных на позициях, на которых значения символов второй и третьей случайных последовательностей символов совпадают, передают информацию о позициях, на которых значения символов второй и третьей случайных последовательностей символов совпадают, через первый несекретный канал связи на приемную сторону, на приемной стороне формируют символы секретного ключа путем выбора соответствующих принятых символов первой случайной последовательности кодовых символов, расположенных на позициях, на которых значения символов второй и третьей случайных последовательностей символов совпадают, отличающийся тем, что на передающей стороне очередную модулированную одиночную квантовую частицу передают через первый квантовый канал связи на первый промежуточный пункт, расположенный между передающей и приемной сторонами, во втором промежуточном пункте, расположенном между первым промежуточным пунктом и приемной стороной, генерируют последовательность находящихся в перепутанном состоянии пар квантовых частиц, передают первую квантовую частицу очередной перепутанной пары через второй квантовый канал связи на первый промежуточный пункт, передают вторую квантовую частицу очередной перепутанной пары через третий квантовый канал связи на приемную сторону, в первом промежуточном пункте измеряют состояние Белла очередной модулированной одиночной квантовой частицы, переданной через первый квантовый канал связи, и первой квантовой частицы очередной перепутанной пары, переданной через второй квантовый канал связи, передают результат измерения состояния Белла очередной модулированной одиночной квантовой частицы и первой квантовой частицы очередной перепутанной пары через второй несекретный канал связи на передающую сторону, на приемной стороне прямоугольный или диагональный поляризационный базис в соответствии со значением очередного символа третьей случайной последовательности символов выбирают для демодуляции квантового состояния второй квантовой частицы очередной перепутанной пары, поступившей через третий квантовый канал связи, демодулируют квантовое состояние второй квантовой частицы (второго фотона) очередной перепутанной пары, поступившей через третий квантовый канал связи, значение очередного принятого символа первой случайной последовательности кодовых символов определяют по результату демодуляции квантового состояния второй квантовой частицы очередной перепутанной пары и по значению очередного символа третьей случайной последовательности символов, на передающей стороне определяют для каждой из указанных позиций квантовой состояние (поляризацию) второй квантовой частицы (второго фотона) соответствующей перепутанной пары по принятому результату измерения состояния Белла соответствующей модулированной одиночной квантовой частицы (модулированного одиночного фотона) и первой квантовой частицы (первого фотона) соответствующей перепутанной пары и по значениям соответствующих символов первой, второй и третьей случайных последовательностей символов, причем значения выбранных для формирования символов секретного ключа символов либо оставляют неизменными, либо инвертируют в зависимости от поляризации второй квантовой частицы (второго фотона) соответствующей перепутанной пары.
