Лабораторный стенд EDU-QCRY1/M Основные принципы квантовой криптографии

Стенд  предназначен для образовательных, демонстрационных и учебных целей, включает все необходимое оборудование, а также подробное руководство и учебные материалы.

Преимуществом является простота сборки и использования.

Экспериментальная часть дает возможность:
· узнать, как информация может быть зашифрована и передана с использованием поляризации света;
· сгенерировать ключ шифрования, позволяющий обеспечить приватную связь;
· зашифровать, передать и расшифруете секретное сообщение;
· изучить, как подслушивающий вызывает ошибки в передаче, которые могут быть обнаружены;
· пронаблюдать этапы протокола шифрования BB84.

Набор для демонстрации аналогии квантовой криптографии содержит компоненты для моделирования системы передачи данных с использованием протокола шифрования BB84. Этот метод шифрования позволяет отправителю и получателю сгенерировать ключ шифрования, известный только им, а также обнаружить подслушивающих. В этом эксперименте, биты информации передаются через поляризацию света, которая управляется с помощью полуволновых пластинок и поляризационных светоделителей. Образовательный лабораторный стенд включает в себя лазеры, полуволновые пластинки, поляризационные светоделители и детекторы, необходимые для моделирования отправителя, получателя и подслушивающего.
Обратите внимание, что это классический эксперимент, который имитирует ключевые принципы, используемые в квантовой криптографии. В качестве аналогии квантовой системы в этом эксперименте используется импульсный лазер вместо одиночных фотонов. Детекторы одиночных фотонов не входят в комплект этого набора.

КОМПЛЕКТАЦИЯ

1) Алюминиевая оптическая плита, 3 шт.
2) Основание для крепления 25 х 75 х 10 мм, 10 шт.
3) Держатель для стержней L = 50 мм, 5 шт.
4) Держатель для стержней L = 40 мм, 6 шт.
5) Универсальный держатель стержней L = 50 мм, 2 шт.
6) Стержень для держателей оптики L = 40 мм, 6 шт.
7) Стержень для держателей оптики L = 50 мм, 7 шт.
8) Держатель оптики (Ø25.4 мм) с возможностью дискретного (22.5°) вращения закрепляемых элементов, 4 шт.
9) Короткая фиксирующая рукоятка, 2 шт.
10) Основание для крепления 25 х 58 х 10 мм, 1 шт.
11) Мишень для юстировки, 1 шт.
12) Компактный прижим с возможностью регулировки по высоте для фиксации оптомеханических элементов, 2 шт.
13) Кинематический держатель призм, 2 шт.
14) Полуволновая пластинка из ЖК полимера, Ø25.4 мм, рабочая длина волны: 633 нм, 4 шт.
15) Кинематический держатель оптических элементов Ø25.4 мм, 2 шт.
16) Поляризационный светоделительный куб, сторона куба: 20 мм, рабочий диапазон: 420 - 680 нм, 2 шт.
17) Адаптер Ø25.4 мм для цилиндрических компонентов Ø11 мм, 2 шт.
18) Лазерный диодный модуль (P=1.2мВт, λ=635 нм), 2 шт.
Дополнительные опции (Расширенный набор):
1) Стержень для держателей оптики L = 30 мм, 4 шт.
2) Стержень для держателей оптики L = 40 мм, 2 шт.
3) Лазерный диодный модуль (P=4.5мВт, λ=520 нм), 2 шт.
4) Поляризационный светоделительный куб, сторона куба: 20 мм, рабочий диапазон: 420 - 680 нм, 2 шт.
5) Полуволновая пластинка из ЖК полимера, Ø25.4 мм, рабочая длина волны: 514 нм, 4 шт.
6) Дихроичное зеркало, Ø25.4 мм, пороговая длина волны: 605 нм, 4 шт.

Лабораторный стенд поставляется в упаковочных кейсах с ложементом, методическим описанием, комплектом крепёжных элементов, набором для чистки оптики и инструментами.

Эксперимент:

Этот набор предназначен для демонстрации основ квантовой криптографии и протокола шифрования BB84 через серию экспериментов в учебной аудитории. В ходе этих экспериментов студенты узнают, как кодировать сообщения в двоичном формате с использованием состояния поляризации света, а затем шифровать их с помощью протокола BB84.

Протокол BB84
Протокол BB84 — это схема связи, которая сочетает в себе метод шифрования, известный как одноразовый блокнот (one-time pad), с методом квантового распределения ключей. Шифрование сообщения с использованием одноразового блокнота выполняется путем добавления двоичного ключа шифрования (состоящего из 0 и 1) к сообщению, представленному в двоичном виде. Поскольку ключ и сообщение не имеют какой-либо методологии или шаблона, этот метод шифрования гарантирует, что зашифрованное сообщение может быть передано через открытые каналы.
Однако основная задача заключается в том, чтобы гарантировать, что только отправитель и получатель знают ключ шифрования, и предотвратить перехват ключа подслушивающим. Протокол BB84 использует идею квантового распределения ключей, чтобы обеспечить, что только отправитель и получатель обладают знанием ключа шифрования. Квантовое распределение ключей применяет принципы квантовой физики, такие как кодирование одного бита информации в фотоне света, чтобы гарантировать, что информацию невозможно скопировать. Любая попытка перехвата подслушивающим неизбежно изменит состояние фотона. Таким образом, протокол BB84 позволяет передавать по-настоящему защищенные зашифрованные сообщения.

Моделирование протокола BB84 с использованием поляризации света

Набор моделирует метод BB84 с использованием состояний поляризации света (как показано на схеме ниже). Данные в виде бита кодируются в импульсный лазерный луч путем изменения состояния поляризации. Более конкретно, бит кодируется с использованием пары базисов поляризации (обозначенных как + или ×), которые преобразуют бит в определенный угол поляризации. Базис + представлен поляризациями 0° и 90°, а базис x — поляризациями -45° и 45°. Одна из поляризаций в каждой паре представляет бит "0", а другая — бит "1". Отправитель выполняет передачу, испуская импульсный луч света и устанавливая состояние поляризации с помощью полуволновой пластинки для кодирования бита и базиса. Приемник получателя оснащен полуволновой пластинкой и светоделителем для интерпретации передачи как "0" или "1". Бит и базис выбираются случайным образом в каждой передаче; однако, сравнивая базисы, отправитель и получатель могут сгенерировать уникальный ключ шифрования, известный только им.
В этом эксперименте подслушивающий представлен модулем, который может принимать передачу от отправителя и затем пытаться отправить тот же сигнал получателю. Хотя подслушивающий может свободно это делать, поскольку "передача" является публичной, однако студенты узнают, как это вызовет ошибки, которые раскроют присутствие подслушивающего. Поскольку обнаружение подслушивающего происходит во время передачи ключа шифрования, как только отправитель и получатель убедятся, что подслушивающий отсутствует, сообщение может быть отправлено без риска перехвата.

Одиночные фотоны против классического света

Подлинная защита от перехвата подслушивающего гарантируется только в том случае, если протокол BB84 выполняется с использованием одиночных фотонов, которые подчиняются "теореме о невозможности клонирования". В общем смысле эта теорема утверждает, что невозможно создать идеальную копию неизвестного квантового состояния без изменения самого состояния. В результате подслушивающий не может скопировать фотон от отправителя, не изменив его, и не может отправить неизмененный фотон получателю, сохранив копию для анализа.
Обратите внимание, что набор использует импульсный лазерный источник, то есть классический свет. Хотя последовательность протокола полностью идентична настоящей квантовой системе шифрования, этот набор не может быть использован как идеальная система шифрования. Подслушивающий может незаметно перехватывать информацию, разделяя часть передаваемого света для анализа, в то время как оставшаяся часть отправляется получателю.

Примеры:
Пример упражнения, которое студенты могут выполнить с использованием набора для демонстрации аналогии квантовой криптографии. Этот пример демонстрирует генерацию ключа шифрования между отправителем и получателем, а также передачу 10-битного зашифрованного сообщения из двух букв с использованием протокола BB84.
Генерация ключа шифрования
Сначала отправитель случайным образом выбирает последовательность битов и базис (либо +, либо ×) для передачи ключа. Комбинация бита и базиса определяет поляризацию импульса света, передаваемого отправителем (см. таблицу 1 для возможных комбинаций). В таблице 2 показана последовательность из 18 случайно выбранных битов и базисов, а также соответствующие углы поляризации.

Таблица 1

Таблица 2. Передача (отправитель)

В то же время получатель выбирает случайный набор базисов для приема передачи. Эти базисы выбираются независимо от отправителя и не всегда совпадают. После передачи отправитель и получатель сравнивают использованные базисы. В случаях, когда базис совпадает с выбранным отправителем (выделено синим в таблице 3), получатель получит тот же бит, что и отправитель. Однако если базис не совпадает, получатель случайным образом получит 0 или 1. Поскольку результат случайный, эти биты отбрасываются; оставшиеся биты, выделенные синим цветом, становятся ключом шифрования между отправителем и получателем.

Таблица 3. Прием (получатель)

В этом примере ключ шифрования будет представлять собой последовательность: "0 1 1 0 0 1 0 0 0 1".

Передача зашифрованного сообщения с использованием ключа шифрования

Теперь мы покажем, как отправить двухбуквенное сообщение "PH" с использованием ключа шифрования "0 1 1 0 0 1 0 0 0 1". Сначала каждая буква преобразуется в 5-битное двоичное представление, как показано в таблице 4. Чтобы зашифровать сообщение, отправитель выполняет двоичное сложение сообщения и ключа шифрования (см. таблицу 5 для правил сложения).

Таблица 4. Отправка зашифрованного сообщения

Таблица 5. Правила двоичного сложения

Полученное 10-битное сообщение может быть отправлено от отправителя к получателю через открытые каналы с использованием заранее согласованного базиса (т.е. отправитель и получатель оба выбирают использование базиса + или ×). После передачи получатель может расшифровать сообщение, выполнив двоичное сложение зашифрованного сообщения с ключом шифрования. Поскольку результаты двоичного сложения обратимы, такое сложение возвращает исходное двоичное сообщение.
Однако этот метод передачи защищенных сообщений предполагает, что подслушивающий не знает ключа шифрования. Поскольку описанные выше передачи осуществляются через открытые каналы, подслушивающий может попытаться перехватить ключ шифрования, перехватив передачу между отправителем и получателем. Однако это вызовет ошибки в передаче. В протоколе BB84, после сравнения базисов (таблица 3), отправитель и получатель сравнивают тестовую область ключа шифрования. Ошибки, вызванные действиями подслушивающего, могут быть обнаружены отправителем и получателем при сравнении тестовой области, что предупредит их о наличии подслушивающего.

Дополнительное приложение "Вторая длина волны и состояния-ловушки" (Расширенный набор):

ВВ84 — это широко известный протокол квантового распределения ключей, который позволяет двум сторонам безопасно генерировать совпадающие криптографические ключи, кодируя информацию в состояниях поляризации одиночных фотонов. В качестве расширения протокола BB84 может быть введен второй источник одиночных фотонов с другой длиной волны, что удваивает количество используемых состояний поляризации. Главное преимущество системы с двумя длинами волн перед системой с одной длиной волны заключается в том, что двум сторонам (отправителю и получателю) больше не нужно жертвовать частью ключа для проверки наличия подслушивающих. Подмножество дополнительных состояний поляризации может быть использовано как "состояния-ловушки". Эти состояния намеренно не используются отправителем, но могут быть созданы подслушивающим при перехвате передачи от отправителя. Если получатель обнаруживает статистически значимое количество состояний-ловушек, он понимает, что подслушивающий присутствует.

Расширенный учебный набор по квантовой криптографии использует импульсные лазеры для эмуляции поведения настоящей квантовой системы. Поэтому, хотя это и не система квантово-безопасной связи, она идеально подходит для обучения студентов основам квантовой криптографии.

Эта схема иллюстрирует модули отправителя, подслушивающего и получателя, которые были модифицированы для включения второй длины волны. Существует четыре состояния поляризации в двух базисах для каждой длины волны, которые могут быть использованы для кодирования информации. Дихроичные зеркала используются для объединения и разделения различных длин волн при передаче и измерении соответственно.