Оценка защищённости практической квантово-криптографической системы на основе волоконно-оптических линий связи от несанкционированного доступа (стр. 7 из 8)
Поскольку настоящая стратегия взлома основана на отражательных потерях оптических компонентов, было бы неплохо знать типичные значения этих потерь для различных компонентов. Эти данные приведены в табл. 2 [26]. Легко видеть, что наилучшие результаты могут быть достигнуты на отражениях от лазеров, детекторов, ответвителей, волоконно-оптических (не угловых) коннекторов, свободных концов волокна.
Выбор конкретного отражения для осуществления взлома определяется следующими критериями:
1. Пригодность данного сигнала в смысле временных характеристик (сканирующий импульс должен быть промодулирован в сумме два раза в течение периодов времени, определяемых типом информации, которую хочет получить Ева - базисы передачи или биты данных).
2. Возможность детектирования данного сигнала с заданной вероятностью ошибки. Вероятность ошибки детектирования связана с квантовой эффективностью детектора, скоростью передачи информации, используемой длиной волны и мощностью отражённого сигнала. Конкретный вид этой связи определяется видом принимаемого сигнала, который с точки зрения теории оптической связи можно идентифицировать [25] как синхронный фазоманипулированный сигнал (synchronous PSK signal) для случая детектирования базисов, и как асинхронный дифференциальный фазоманипулированный сигнал (asynchronous DPSK signal) для случая косвенного детектирования бит данных (в обоих случаях применяется гомодинное детектирование). Обращая известные в теории оптических
телекоммуникаций формулы [25] для вероятности ошибки передачи, получим требование на минимальную среднюю интенсивность сигнала:
· для случая детектирования базисов
;· для случая косвенного детектирования бит данных
,где
- постоянная Планка, 
- несущая частота, 
- скорость передачи данных, 
- квантовая эффективность детектора Евы, 
- вероятность ошибки передачи.При осуществлении максимально приближенного к реальным условиям эксперимента по классическому оптическому подслушиванию неизбежно встаёт проблема временного дрейфа поляризации и фазы в канале передачи, в связи с чем необходимо включение в схему петель автоподстройки фазы и поляризации.
Что касается мощности сканирующего лазера, которая определяется величиной потерь на отражение выбранного Евой для работы оптического компонента и потерь на пропускание устройства в целом (приёмника или передатчика), то в данный момент являются коммерчески доступными импульсные волоконно-оптические лазеры мощностью порядка 1-10 кВт в импульсе [28]. Очевидно, вопрос стоит уже в лучевой стойкости используемых оптических компонентов и нелинейных эффектах, наводимых оптическими импульсами такой мощности.
Схема планируемого модельного эксперимента
Исследовательской группой NTNU в рамках проекта "Квантовая криптография" запланировано проведение модельного эксперимента по несанкционированному доступу к абонентам через общий оптический канал связи с детектированием базисов передачи в рамках протокола BB84 c передающей стороны. Схема модельного эксперимента представлена на рис.11. Воссоздавать полностью реальную ситуацию с подслушиванием в модельном эксперименте признано непрактичным, поскольку конечной целью является не подслушивание, а разработка эффективной защиты, поэтому сделаны следующие упрощения:
1. Из самой криптографической установки используется лишь часть оптического оборудования, относящаяся к Алисе, причём из электроники задействуется только фазовый модулятор. Таким образом, в эксперименте реальная передача информационного сигнала не осуществляется. В связи с этим отпадает надобность в оптическом мультиплексоре.
2. Исключён из схемы аттенюатор, стоящий обычно на выходе передающего интерферометра, по причине отсутствия в нашем распоряжении мощного импульсного лазера для сканирования (используется лазер средней мощности из оптического рефлектометра: Opto-Electronics PPL-30K, 40‑пс импульсы с пиковой мощностью порядка 75 мВт).
3. Проблема дрейфа поляризации и фазы решается путём виброизоляции (оптический стол, гасящий вибрации) и теплоизоляции (слои поролона) всей схемы.
Измеряемой величиной является вероятность ошибки детектирования и её экспериментальная зависимость от скорости передачи данных и интенсивности отражённого сигнала. Теоретическое предсказание для этих зависимостей можно сделать по приведенным выше формулам для средней интенсивности сигнала. Идея эксперимента сводится к следующему. Генератор А осуществляет импульсную модуляцию излучения сканирующего лазера и выдаёт синхроимпульсы на компьютер. Через временной интервал, необходимый для прохождения импульсами расстояния от лазера до фазового модулятора, компьютер выдаёт на ЦАП, выход которого соединён через преобразователь Пр1 с управляющим входом фазового модулятора, случайно выбранное число из четырёх возможных вариантов (-1, 0,
1, 2), что соответствует выходным напряжениям (-4В, 0В, +4В, +8В), т.е. фазовым сдвигам на модуляторе (
, 0, 
, p) и значениям базисов передачи (1, 0, 1, 0). Компьютер осуществляет счёт поступающих на него синхроимпульсов. Синхроимпульсы с генератора А поступают также через линию задержки на генератор Б, стробирующий детектор (на основе лавинного фотодиода) в интервалах, определяемых временем прихода на детектор отражённого сигнала. Сигнал с выхода детектора (где нулевое напряжение соответствует базису 0, а положительное - базису 1) через преобразователь напряжений Пр2 поступает на вход компьютера, где программно реализован счётчик совпадений измеренных значений базисов с действительными. Количество совпадений M, зарегистрированных счётчиком, отнесённое к общему количеству синхроимпульсов N, определяет процент ошибок детектирования базисов: 
.Программная часть реализована на компьютере с помощью программы LabView.
К сожалению, из-за задержек с ремонтом экспериментального оборудования первоочередной важности, а именно оптического рефлектометра, на момент завершения работы над данной магистерской диссертацией начать модельный эксперимент не представилось возможным, однако это и не являлось непосредственной целью работы (см. постановку задачи в разделе "Введение"). Схема экспериментальной установки для предварительных измерений представлена на рис. 12. Вверху изображена оптическая часть оборудования Алисы, состоящая из импульсного лазера, поляризатора и интерферометра, реализованного с помощью обычного (на входе) и поляризационного (на выходе) ответвителя. В коротком плече интерферометра сигнал распространяется свободно, в то время как в длинном плече он задерживается во времени при помощи постоянной и переменной (подстроечной) линий задержки и модулируется по фазе фазовым модулятором. Выходной поляризационный ответвитель разделяет сигналы из разных плеч интерферометра по поляризации (все оптическое волокно внутри интерферометра - с сохранением поляризации). Внизу на рисунке показано оборудование Евы - оптический рефлектометр Opto-Electronics Millimeter Resolution OTDR и интерферометр, состоящий из сигнального и опорного плеч. Сигнальное плечо ведёт к аппаратуре Алисы, а в опорном плече находится переменная линия задержки, реализованная с помощью растяжки оптического волокна на микрометрической подвижке, переменного аттенюатора и отражателя (им служит ровно сколотый свободный конец волокна). Работа схемы состоит в следующем. Световые импульсы с выхода оптического рефлектометра делятся на ответвителе и поступают в сигнальное и опорное плечо. В сигнальном плече импульсы отражаются от какого-либо элемента аппаратуры Алисы и возвращаются обратно. В опорном плече переменная линия задержки настраивается так, чтобы время прихода отражённого сигнала в этом плече совпадало с временем прихода отражённого сигнала от выбранного элемента в сигнальном плече; аттенюатором подбирается ослабление так, чтобы амплитуды отражённых сигналов в сигнальном и опорном плечах совпадали. Таким образом, на делителе Евы наблюдается интерференция сигналов из опорного и сигнального плеча; эта интерференция конструктивна, если разность фаз между сигналами равна 0, и деструктивна, если разность фаз равна p. Разность фаз регулируется изменением статического напряжения на фазовом модуляторе Алисы.