Безопасный обмен данными с использованием квантовой связи в оптоволоконных сетях будущего

В поисках лучшей безопасности при передаче данных правительства и другие организации по всему миру инвестируют и разрабатывают технологии на основе квантовой связи и сопутствующими методами шифрования.

Исследователи изучают вопрос о том, как эти новые системы, которые, по идее, могли бы обеспечить невзламываемые каналы связи, могут быть интегрированы в существующие и будущие оптоволоконные сети. Исследования, проведенные в Национальном институте информационных и коммуникационных технологий в Японии группой, в состав которой входит старший приглашенный исследователь Тобиас А. Эрикссон (Tobias A. Eriksson), обещают решить одну из ключевых задач для этого приложения: как обеспечить безопасную связь с помощью распределения непрерывно изменяемых квантовых ключей. Этот метод, часто называемый QKD, заключается в непрерывном обмене ключами шифрования, сгенерированными с помощью квантовой технологии, для шифрования данных, передаваемых между двумя или более сторонами.

Тобиас Эрикссон и его коллеги говорят, что основным камнем преткновения для этого приложения является шум, создаваемый волоконными усилителями на одномодовых волоконных системах текущего поколения. Их исследования включали изучение того, как использовать многожильные волоконно-оптические технологии, которые, как ожидается, будут применяться в будущих сетях передачи.

Как следует из названия, многожильные волоконно-оптические системы используют несколько волоконно-оптических жил в одном пучке, через которые могут передаваться данные. В современных оптоволоконных сетях каждая нить обычно имеет только одно ядро.

«Безопасная связь - одна из самых сложных задач в настоящее время, и многие из существующих методов шифрования могут когда-нибудь быть легко взломаны алгоритмами, разработанными для квантовых компьютеров, - говорит Эрикссон. - Одна из причин, по которой мы не видели коммерческого развертывания QKD, заключается в том, что технология несовместима с текущей сетевой архитектурой».

По словам Эрикссона, по мере развертывания многоядерного волокна в будущем исследователи будут искать возможности использования этой технологии для решения проблемы шифрования.

«Вопрос, который мы задали себе, заключается в том, можно ли использовать пространственные размеры многожильных волокон для совместного распространения классических и квантовых сигналов, - сказал Эрикссон. - Мы обнаружили, что классические каналы могут передаваться совершенно незаметно для квантовых сигналов, что в одномодовом волокне невозможно, поскольку шум усилителя убивает квантовые каналы».

Команда Эрикссона измерила избыточный шум от перекрестных помех между классическим и квантовым каналами, используя 19-жильный кабель. Они обнаружили, что этот подход может поддерживать 341 канал QKD с разносом 5 ГГц между длинами волн 1537 нм и 1563 нм.

Группа сообщила, что когда квантовые каналы используют выделенное волокно многожильного кабеля, сетевые операторы могут избежать шума, генерируемого перекрестными помехами между волокнами, убедившись, что длины волн квантовых сигналов от QKD лежат в защитной полосе между классическими каналами, которые несут данные. Это простой метод решает проблему мультиплексирования квантовых и классических каналов и позволяет избежать введения новых компонентов для классических каналов связи.