Боб случайным образом измеряет состояние каждого принятого фотона, используя случайно выбранный базис.

Для каждого фотона Боб по открытому каналу сообщает Алисе, в каком базисе измерял состояние фотона, сохраняя сам результат измерения в секрете.

Алиса по открытому каналу сообщает Бобу, какие измерения нужно считать правильными. Это те случаи, для которых базисы передачи и измерения совпали.

Результат измерений с совпавшими базисами переводится в биты, из которых и формируется ключ.

Если Ева попытается перехватить секретный ключ, ей нужно будет измерить поляризацию фотонов. Не зная правильного базиса для каждого измерения, Ева получит неверные данные, а поляризация фотона изменится. Эту ошибку сразу заметят и Алиса, и Боб.

Поскольку искажения в квантовую систему может внести не только шпион, но и обычные помехи, необходим способ достоверно выявить ошибки. В 1991 году Чарльз Беннет разработал алгоритм выявления искажений в данных, передаваемых по квантовому каналу. Для проверки все передаваемые данные разбиваются на одинаковые блоки, затем отправитель и получатель различными способами вычисляют чётность этих блоков и сравнивают полученные результаты.
В реальных квантовых криптосистемах взаимодействие между абонентами происходит по оптоволокну, при попадании света в оптоволокно поляризация необратимо нарушается. Поэтому коммерческие установки, о которых мы расскажем немного позже, используют другие способы кодирования битов.

Например, компания ID Quantique использует для кодирования битов фазы света:

Боб генерирует световой импульс.

Импульс разделяется на два отдельных импульса, которые отправляются Алисе.

Алиса случайным образом меняет фазу одного из полученных импульсов с помощью задержки, выбирая один из базисов.

Как и в случае с поляризацией, используется два базиса: первый — с нулевой задержкой или с задержкой в 1/2 длины волны, второй — с задержками в 1/4 или в 3/4 длины волны.

Алиса возвращает импульсы Бобу, который случайным образом выбирает задержку из первого или второго базиса и интерферирует импульсы.

Если Алиса и Боб выбрали одинаковый базис, фазы импульсов либо полностью совпадут, либо окажутся в противофазе, обеспечив на выходе 0 или 1.

7. Если базисы различны, результат измерения будет верным в 50% случаев.

Система квантового распределения ключей Cerberis QKD производства ID Quantique. Максимальная дальность квантового канала 50 км, скорость передачи секретного ключа —1,4 кбит/с. Фото: ID Quantique.

 

Практические реализации

В 1989 году Беннет и Брассард построили в Исследовательском центре компании IBM установку для проверки своей концепции. Установка представляла собой квантовый канал, на одном конце которого был передающий аппарат Алисы, на другом принимающий аппарат Боба. Устройства размещались на оптической скамье длиной около 1 м в светонепроницаемом кожухе размерами 1,5 × 0,5 × 0,5 м. Система управлялась с помощью компьютера, в который были загружены программные представления легальных пользователей и злоумышленника.

С помощью установки удалось выяснить, что:

• приём и передача квантовой информации вполне возможна даже через воздушный канал;
• основная проблема при увеличении расстояния между приёмником и передатчиком — сохранение поляризации фотонов;
• сохранность тайны передачи зависит от интенсивности вспышек света, которые используются для передачи: слабые вспышки затрудняют перехват, но вызывают рост ошибок у легального получателя, повышение интенсивности вспышек позволяет перехватить информацию путём расщепления начального одиночного фотона на два.

Установка Беннета и Брассарда. Источник: IBM JournalofResearchandDevelopment (Volume: 48, Issue: 1, Jan. 2004)

Успех эксперимента Беннета и Брассарда привёл к тому, что другие исследовательские команды занялись разработками в области квантовой криптографии. С воздушных каналов перешли на волоконно-оптические, что сразу позволило увеличить дальность передачи: швейцарская компания GAP-Optique реализовала квантовый канал между Женевой и Нионом на базе оптоволокна длиной 23 км, проложенного по дну озера и сгенерировала с его помощью секретный ключ, уровень ошибок которого не превысил 1,4%.

В 2001 году был разработан лазерный светодиод, который позволял испускать единичные фотоны. Это позволило передавать поляризованные фотоны на большее расстояние и увеличить скорость передачи. В ходе эксперимента, изобретателям нового светодиода Эндрю Шилдсу и его коллегами из TREL и Кембриджского университета удалось передать ключ со скоростью 75 кбит/с, хотя более половины фотонов терялись в процессе передачи.

В 2003 году к исследованиям в сфере квантовой криптографии присоединилась Toshiba. Первую систему компания представила в октябре 2013 года, а в 2014 удалось добиться стабильной передачи квантовых ключей по стандартному оптоволокну в течение 34 дней. Максимальное расстояние передачи фотонов без повторителя составляло 100 км. Проверить работу установки в течение долгого времени было важно потому, что уровень потерь и помех в канале мог меняться под воздействием внешних условий.