Квантовые технологии в телекоммуникационных системах (519,00 руб.)

Стр.3

Стр.341

Стр.342

Стр.343

Стр.344

Стр.345

Стр.346

УДК 621.391.63:004.056.52 ББК 32.86-5 Р865 Печатается по решению кафедры информационной безопасности телекоммуникационных систем Института компьютерных технологий и информационной безопасности Южного федерального университета (протокол № 18 от 22 апреля 2021 г.) Рецензенты: заведующий кафедрой «Информационная безопасность» Ордена Трудового Красного Знамени федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ)», заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор О. И. Шелухин профессор кафедры «Управление и интеллектуальные технологии» Федерального государственного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ», доктор технических наук, профессор Г. Ф. Филаретов Румянцев, К. Е. Р865 Квантовые технологии в телекоммуникационных системах : учебник / К. Е. Румянцев ; Южный федеральный университет.  Ростовна-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2021.  346 с. ISBN 978-5-9275-3857-7 Изложены тенденции развития квантовых коммуникаций, вероятностные закономерности и основные понятия квантовой физики, раскрыты принципы квантовой криптографии, описаны направления развития и протоколы, типовые структуры и элементная база систем квантового распределения ключа и распределённых защищённых сетей на их основе. Освещены особенности функционирования систем квантового распределения ключа в условиях возможного несанкционированного доступа. Материал является основой для прослеживания технического уровня и тенденций развития систем квантового распределения ключа. Учебник предназначается для студентов, обучающихся по специальности 10.05.02 Информационная безопасность телекоммуникационных систем. УДК 621.391.63:004.056.52 ББК 32.86-5 ISBN 978-5-9275-3857-7  Южный федеральный университет, 2021  Румянцев К. Е., 2021  Оформление. Макет. Издательство Южного федерального университета, 2021

Стр.3

ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ ……………………………………….……...……..…… 3 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ТЕРМИНОВ НА АНГЛИЙСКОМ ЯЗЫКЕ СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ТЕРМИНОВ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ ….... ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………….…...….. 8 11 12 ЧАСТЬ 1. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ КВАНТОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ …………………………..……………………….. 16 1. ВНЕДРЕНИЕ КВАНТОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ ………………...………………………..…… 17 1.1. Предпосылки внедрения квантовых коммуникаций ……….. 17 1.2. Идеи квантовой криптографии ………………………………. 25 Вопросы для самоконтроля усвоения материала ……………….. 28 2. ТЕКУЩИЙ УРОВЕНЬ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ КВАНТОВОЙ КРИПТОГРАФИИ ……………………………………………………… 30 2.1. Развитие технологий квантовой криптографии …………….. 2.2. Инфраструктура связи и квантовых коммуникаций ………... 30 33 2.3. Развитие рынка квантовых коммуникаций …………………. 35 2.4. Постквантовая криптография ………………………………... Вопросы для самоконтроля усвоения материала ………………... 47 48 ЧАСТЬ 2. ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ …………………… 50 3. ВЕРОЯТНОСТНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ ………………………………………………………………….. 3.1. Носители информации в квантовой коммуникации ……….. 51 51 3.2. Принципы квантовой механики ……………………………… 52 3.3. Условие интерференции волн ………………………………... 53 3.4. Интерференция амплитуд вероятности переходов ………… 57 3.5. Классический опыт по регистрации электрона в интерферометре ……………………………………………………..………… 60 3.6. Контроль поведения электрона в интерферометре ………… 63 3.7. Суперпозиция состояний …………………………………….. 3.8. Состояние двухуровневой квантово-механической системы 3.9. Парадокс «кота Шрёдингера» ………………………………... 3.10. Измерительный процесс в квантовой физике …………….. 3.11. Волновая функция …………………………………………… 74 66 68 69 72 340

Стр.341

Оглавление 3.12. Основополагающие положения квантовой физики для квантовой коммуникации ………………………………………………… 76 Вопросы для самоконтроля усвоения материала ………………... 79 4. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПРИНЦИПЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ 82 4.1. Единичный квантовый бит …………………………………..… 82 4.2. Геометрическое представление кубита ……………………… 84 4.3. Состояние кубита после измерения в стандартном базисе … 85 4.4. Принцип неопределённости Гейзенберга …………………… 86 4.5. Особенности проявления принципа неопределённости при приёме фотона ……………………….………………...…………….. Вопросы для самоконтроля усвоения материала …..……..……… 90 89 5. ОДНОКУБИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ………………………..…. 92 5.1. Преобразование Адамара ………………………………..…….. 92 5.2. Волоконный ответвитель X-типа ……………………..………. 93 5.3. Разделительный волоконный ответвитель Y-типа ………..…. 5.4. Соединение двух волоконных ответвителей X-типа ……….. 97 99 5.5. Интерферометр Маха  Цендера с фазовращателем ……..… 100 Вопросы для самоконтроля усвоения материала …….………..… 102 6. КВАНТОВАЯ ТЕЛЕПОРТАЦИЯ ………………………………..…... 103 6.1. Парадокс Эйнштейна, Подольского и Розена …………..…… 103 6.2. Сцепленные состояния ……………………………………...….. 104 6.3. Сцепленные состояния между отдельными фотонами в результате спонтанного параметрического рассеяния излучения ….. 107 6.4. Принципы квантовой телепортации ………………………..…. 110 6.5. Неравенства Белла ………………………………………………. 111 6.6. Эксперимент с парой сцепленных фотонов ……………..…… 113 6.7. Процесс квантовой телепортации …………………………..… 119 6.8. Схема квантовой телепортации …………………………..…… 121 6.9. Плотное кодирование ……………………………………..…… 124 6.10. Вариант реализации протокола E91 ……………………..… 129 6.11. Волоконно-оптические системы квантового распределения ключа с помощью сцепленных состояний ……………………..…. 132 Вопросы для самоконтроля усвоения материала ………...…..…… 133 ЧАСТЬ 3. КВАНТОВАЯ КРИПТОГРАФИЯ …………………..…… 135 7. НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ КВАНТОВОЙ КРИПТОГРАФИИ 136 341

Стр.342

Оглавление 7.1. Квантовая криптография на основе кодирования квантового состояния одиночной частицы ……………………………….…… 136 7.2. Квантовая криптография на основе сцепленных состояний 7.3. Квантовое распределение ключа ………………………….…. 137 138 7.4. Комплекс для передачи конфиденциальной информации с квантовым распределением ключа …………………………………. 140 7.5. Инфраструктура информационной безопасности при квантовом распределении ключа ……………………………..……………. 142 Вопросы для самоконтроля усвоения материала ………...……… 147 8. ПРОТОКОЛ ВВ84 ДВУХУРОВНЕВОЙ КВАНТОВОЙ СИСТЕМЫ 149 8.1. Теория кодирования состояний фотонов в протоколе ВВ84 149 8.2. Протокол ВВ84 с поляризационным кодированием состояний фотонов …………………………………………………………….. 150 8.3. Протокол ВВ84 с фазовым кодированием состояний фотонов…………………………………………………….. ……….…….. 157 8.4. Протокол ВВ84 с временным кодированием состояний фотонов …………………………………………………………………….. 165 Вопросы для самоконтроля усвоения материала ………...….…… 168 9. ПРОТОКОЛ КВАНТОВОЙ КРИПТОГРАФИИ В92 ………..……… 172 9.1. Теория кодирования состояний фотонов в протоколе В92 … 172 9.2. Перспективы применения квантового распределения ключа по протоколу B92 ……………………………………………………. 173 9.3. Протокол В92 с поляризационным кодированием состояний фотонов ………………………………………………………………. 174 9.4. Протокол В92 с фазовым кодированием состояний фотонов 176 9.5. Протокол В92 с временным кодированием состояний фотонов…...………...………...………...………...…………..………. 181 9.6. Контрольные задания …………………………………………… 182 Вопросы для самоконтроля усвоения материала ………...…..…… 188 ЧАСТЬ 4. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА КВАНТОВЫХ СИСТЕМ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ …………………………………………….. 191 10. АНАЛИЗ ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ КВАНТОВЫХ СИСТЕМ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ ………………………………………..…….. 192 10.1. Анализ элементной базы атмосферных систем квантового распределения ключа …………………………………..…………… 192 342

Стр.343

Оглавление 10.2. Анализ элементной базы волоконно-оптических систем квантового распределения ключа ………………………………..… 194 10.3. Анализ элементной базы спутниковых систем квантового распределения ключа ……………………………………………….. 195 10.4. Функциональные элементы систем квантового распределения ключа ………………..…………………………………………… 201 Вопросы для самоконтроля усвоения материала ………...…..…… 203 11. ОДНОФОТОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ……………..…. 206 11.1. Источники одиночных фотонов …………………………..…. 206 11.2. Специфика применения многофотонных лазеров ………… 210 11.3. Поляризатор ……………………………………………………. 214 11.4. Регулируемый волоконно-оптический аттенюатор …………. 216 11.5. Спектральные свойства фотонов с однофотонного источника излучения ……………………………………………………...….. 219 11.6. Требования к однофотонному источнику излучения ……….. 221 11.7. Расчётно-конструкторское задание ……………………..…… 222 Вопросы для самоконтроля усвоения материала ………...….…… 223 12. ОДНОФОТОННЫЕ ПРИЁМНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МОДУЛИ …... 225 12.1. Физические основы работы лавинных фотодиодов …….…. 225 12.2. Основные параметры лавинных фотодиодов …………….… 227 12.3. Цепи гашения однофотонных лавинных фотодиодов …….. 233 12.4. Структура и параметры однофотонных приёмных оптических модулей …………………………………………..…………….. 236 Вопросы для самоконтроля усвоения материала ………………….. 239 13. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ……..….. 241 13.1. Фазовый оптический модулятор ……………………………… 241 13.2. Контроллер поляризации ……………………………………… 243 13.3. Вращатель плоскости поляризации ………………………..… 246 13.4. Волоконно-оптический разветвитель ……………………..…. 248 13.5. Волоконно-оптическая линия задержки …………………… 250 13.6. Поляризационный объединитель/светоделитель ………..….. 252 13.7. Оптический циркулятор …………………………………..….. 253 13.8. Зеркало Фарадея …………………………………………..…... 254 13.9. Оптические фильтры ……………………………………..…… 254 13.10. Задание на проектирование волоконно-оптической линии задержки …………………………………………………………...…. 255 343

Стр.344

Оглавление Вопросы для самоконтроля усвоения материала …………..……… 255 ЧАСТЬ 5. ФОРМИРОВАНИЕ КЛЮЧЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ……………………………………...…… 257 14. ЭТАПЫ ФОРМИРОВАНИЯ КЛЮЧЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ …………………………………………… 258 14.1. Обобщённая структура коммерческих системы КРК с фазовым кодированием состояний фотона ………………….….………. 259 14.2. Формирование сырой ключевой последовательности ……… 265 14.3. Формирование просеянной ключевой последовательности 14.4. Формирование одобренной ключевой последовательности 14.5. Коррекция ошибок …………………………………….……... 266 268 269 14.6. Усиление секретности ………………………………..………. 271 Вопросы для самоконтроля усвоения материала ………...……… 274 15. СКОРОСТЬ ФОРМИРОВАНИЯ КЛЮЧЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ …………………………………………… 275 15.1. Оценка снижения скорости формирования ключевой последовательности бит на физическом уровне ………………….……… 275 15.2. Оценка снижения скорости формирования ключевой последовательности бит на логическом уровне ……………….………… 279 15.3. Скорость формирования секретной ключевой последовательности ………………………………………..………………..….. 285 15.4. Расчётное задание ………………………….…..……...……… 286 289 ЧАСТЬ 6. ПРОБЛЕМЫ КВАНТОВОЙ КОММУНИКАЦИИ ….. 16. КВАНТОВАЯ СЕТЬ ………………………………………..……….. 290 16.1. Концепция квантовой сети ………………………….……….. 290 16.2. Технология квантового распределения ключей в сетях с древовидной архитектурой ……………………………………..….. 292 16.3. Квантовая сеть на основе квантовых повторителей ……..…. 293 Вопросы для самоконтроля усвоения материала ………...…..…… 295 17. СРЕДА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КВАНТОВЫХ КЛЮЧЕЙ ……..……. 296 17.1. Волоконно-оптические направляющие среды …………..….. 296 17.2. Открытое пространство …………………………………..…... 308 17.3. Расчётно-конструкторское задание ……………………..…… 310 17.4. Оценка временных характеристик волоконно-оптической линии связи ………………………………………………..……….… 311 344

Стр.345

Оглавление 17.5. Задание на расчёт принимаемой мощности оптического излучения в спутниковых системах связи ………………………….… 312 18. АТАКИ НА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧА ……………………...….. 313 18.1. Стратегия съёма информации в квантовых системах …….... 313 18.2. Атаки на систему квантового распределения ключа с двухпроводной волоконно-оптической линией связи ………………….. 313 18.3. Атаки на систему квантового распределения ключа с однопроводной волоконно-оптической линией связи ………………….. 315 18.4. Роль процесса синхронизации в защите системы квантового распределения ключа от атак злоумышленника …………...……… 316 18.5. Методы доступа к информации в волоконно-оптической линии и принципы защиты автокомпенсационных систем квантового распределения ключа от несанкционированного доступа …….. 318 18.6. Принцип вхождения в синхронизм, защищённый от несанкционированного доступа к информации ……………….……..……. 322 Вопросы для самоконтроля усвоения материала ………...……..… 323 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………..…. 324 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………...… 326 345

Стр.346