способ приема-передачи криптографической информации

Формула изобретения

Способ приема-передачи криптографической информации через глобальную квантовую рассылку ключей, в котором используется аппаратура для синтеза однофотонного или высокоразмерного скрытого фотонного квантового ключа в каком-либо пункте на Земле через операцию введения его в оптоволоконную линию передачи скрытого фотонного квантового ключа на пункт направленной скрытой передачи его и с этого пункта на космический низкоорбитальный аппарат по направленному атмосферному каналу когерентным лучом в терагерцовом диапазоне, с очередной операцией передачи скрытого квантового ключа по высоконаправленному каналу также когерентным лучом терагерцового диапазона или оптическим лазерным лучом на другие низкоорбитальные аппараты, далее посредством заключительной прицельной скрытой операции передачи скрытого фотонного квантового ключа по атмосферному каналу в терагерцовом диапазоне на наземные части для приема информации, отличающийся тем, что во время всех операций передачи криптографической информации скрытый фотонный квантовый ключ создают с применением генератора случайных чисел, при этом время действия скрытого фотонного квантового ключа меньше времени его расшифровки.

Описание изобретения к патенту

Способ приема-передачи криптографической информации (СППКИ) включает в себя ряд последовательносовокупных операций в различных подсистемах связи, а именно: создание скрытого квантового ключа (СКК) на Земле с операцией передачи его на пункт направленной скрытой связи с низкоорбитальным космическим аппаратом (НА), с очередной операцией скрытой передачи СКК на другой НА, а с него заключительную прицельную скрытую операцию передачи на стационарные и движущиеся наземные, подземные, надводные, подводные, летательные объекты, нуждающиеся в быстрой постоянной смене СКК.

Сама скрытая кодированная информация, после указанной выше последовательности операций, может быть передана по любому открытому каналу связи. Таким образом возникает система глобальной квантовой рассылки ключа (СГКРК).

Частичными аналогами спутниковой части подсистемы являются подсистемы космической связи типа «Гонец» («Гонец-Д1М») и космические системы определения координат типа «Глонасс». В наземной части частичными аналогами являются известные оптоволоконные и атмосферные системы квантовой рассылки ключа (СКРК) типа «Plag and Play», а так же «Способ формирования синхропосылки криптографического алгоритма в системах связи с обеспечением имитозащищенности и конфиденциальности передаваемых сообщений» в патенте № 2287222, Н04К 1/00, патентообладатель ГУН НПЦ «СПУРТ».

Все изложенные выше способы приема-передачи криптографической информации до настоящего времени базируются на теоретических основах радиотехники с использованием математического аппарата (различных алгоритмов) и других способов временно-пространственных систем связи и их разделения. Всем им присущ принципиальный недостаток - возможность подбора ключа, в том числе и «взлома» хакерами с течением времени, и чем больше память и быстродействие ЭВМ, тем быстрее это имеет место быть.

Обоснование пути решения проблемы.

При передаче скрытой информации по имеющимся линиям связи существует проблема не только несанкционированного, но и необнаруженного ее перехвата злоумышленником. И, прежде всего, перехвата ключа. Этот недостаток будет отсутствовать у разрабатываемых в мире систем квантовой рассылки ключа (СКРК), например, с помощью однофотонных линий передачи.

Квантовые свойства одного фотона обеспечивают как скрытую передачу информации, так и немедленное обнаружение даже попытки перехвата информации злоумышленником.

В квантовой криптографии происходит одновременно генерация абсолютно стойкого ключа и его рассылка по незащищенному оптоволоконному каналу связи в виде последовательности одиночных квантов света (фотонов). Законы квантовой механики при этом условии обеспечивают создание канала для передачи информации таким образом, что вторжение злоумышленника в оптический канал передачи квантового ключа с целью копирования ключа и его ретрансляции неизбежно обнаруживается легитимными участниками связи. В случае обнаружения вторжения сеанс передачи аннулируется. Если же вторжение не обнаружено, то оно отсутствует с квантовой вероятностью, сколь угодно близкой к единице. Соответственно, переданный квантовый ключ оказывается известным только легитимным участникам передачи. Далее ключ может быть использован для шифрования текстов и безопасной передачи этих текстов по любому другому открытому каналу с присущей этому каналу скоростью передачи информации. Этот же открытый канал используется для открытого обсуждения легитимными участниками передачи их протоколов передачи и приема сигналов. В результате чего и обнаруживается вторжение злоумышленника в первый канал до начала применения переданного ключа, т.е. фактической передачи скрытой информации.

По своей физической, конструктивной и технологической природе СППКИ обеспечивает своевременное обнаружение попыток несанкционированного доступа к ключу в процессе его передачи, своевременно исключает перехват ключа и основан на комплексном сочетании квантовых и спутниковых технологий.

Наиболее важной и нерешенной задачей является абсолютно скрытая передача СКК с земли на НА и с НА на наземный объект в любую погоду.

Изложенное выше аргументировано показывает, что предлагаемый СППКИ удовлетворяет критерию «пионерного» изобретения, которому в мировой практике в настоящее время прототипа пока нет.

В настоящее время в России разработан интерактивный алгоритм для протокола квантового распределения ключа, обеспечивающего безусловную скрытность. Причем, разработанный алгоритм с успехом можно использовать в протоколах квантовой криптографии, для которой характерен высокий уровень ошибок в ключах после квантовой передачи сигналов (СПбГУ АП).

Имеется много схем СКРК, основанных на использовании квантовых свойств одного фотона. Кроме однофотонных систем, разрабатывают двух- и трехфотонные системы на сцепленных (связанных, перепутанных) состояниях, называемых высокоразмерными. Они в принципе обладают высокой скрытностью и реализуются пока в лабораторных экспериментах на линиях небольшой протяженности.

В рамках европейского проекта SECOQC усилиями сорок одной европейской научно-исследовательской и промышленной организации из 12 стран в настоящее время разрабатывается сеть квантовой криптографии. Она будет сформирована из восьми узлов, расстояния между которыми составят от 6 до 30 км, а самый длинный участок составит 83 км. В создании этой сети участвуют специалисты из Австрийского технологического института, Quantique, Toshiba Research в Великобритании, университета Женевы, Венского университета, Siemes'a и многих других. До этого проекта квантовая криптография была технически реализована только при прямом соединении между двумя участниками. В этом проекте будет соединено 6 участников в окрестностях Вены. На презентации метода был произведен VoIP-телефонный разговор при применении one-time-pad технологии, при которой ключи участников по величине равны объему шифруемой информации. Важно, что впервые удалось реализовать механизм квантовой криптографии в уже существующей коммерческой сети с использованием уже выпускаемых составляющих элементной базы для узлов сети и обычных оптоволоконных каналов передачи данных.

Стоимость системы шифрования на октябрь 2008 года оценивалась в 100000 евро, а коммерческая система будет стоить около 10000 евро. Создание самой системы предполагается в период 3-4-х лет. Главными проблемами являются невысокая скорость передачи данных, невозможность передачи данных на расстояние более 100 км без усилителя. Исследованы линии СКРК протяженностью до нескольких десятков километров, основанные на передаче информации на фазовом сдвиге частоты одного фотона.

Использование поднесущей частоты модуляции сигнала позволяет использовать радиочастотную технику вместо громоздких оптических интерферометров (Ю.Т. Мазуренко, Ж.-М. Меролли, Ж.-П. Гожебир. Квантовая передача информации с помощью поднесущей частоты. Применение к квантовой криптографии. «Оптика и спектроскопия», 1999, № 2, с.181-183).

Доведенной до коммерческой реализации является СКРК, которая работает с применением протокола ВВ84, получившая название система «Plag and Play». В этой системе и источник одиночных фотонов и однофотонный приемник находятся только у одной стороны системы. Это значительно снижает материальные затраты на создание и эксплуатацию всей СКРК (M. Bourennan, F. Gibson, A. Karlsson, A. Hening, P. Jonson, T. Tsegaye, D. Lyundgren and E. Sunberg «Experiments on long wavelength (1,55 nm); «Plag and Play» quantum cryptography systems» Opt. express 4, 383387 (1999); M. Bourennan, D. Lyundgren, A. Karlsson, P. Jonson, A. Hening, J.P. Cisear. «Experimental long wavelength quantum cryptography from single phpton transmission to key extraction protocols» J. Mod. Optics, 47, 563579, (2000); http://www.idquatique.com).

Источниками отдельных фотонов во всех системах являются полупроводниковые или оптоволоконные лазеры на длину волны 1300 или 1550 нм, которые выпускаются на коммерческой основе.

Также на коммерческой основе выпускаются одномодовые оптоволоконные кабели с малыми потерями на соответствующую длину волны. Выпускаются также практически все электронные и оптические компоненты СКРК и оборудование для их сборки.

Компания Toshiba разработала защиту для видеоконференций в Сети методом квантовой криптографии. Технология однофотонной криптографии полностью совместима с IP-протоколом и может быть внедрена в коммерческих сетях. Для этого был разработан учеными компании квантовый сервер ключей (Quantum Key Server), способный генерировать до 100 однофотонных криптографических ключей в секунду. Это дало возможность шифровать при помощи уникального ключа каждый кадр видео, передаваемый по сети. Сервер снабжен системой автоматического управления для непрерывного мониторинга системы и регулирования ее оптических свойств, обеспечивая надежную непрерывную работу без вмешательства человека. Система работает в используемом в телекоммуникациях диапазоне длин волн 1,55 мкм с использованием стандартного оптического волокна.

В России В ГУП НПЦ «СПУРТ» (г.Зеленоград) совместно с группой ученых из СПб ГУ ИТМО и СПб ГУ АП проведена предварительная проработка отечественной системы квантовой рассылки ключа с помощью наземной оптоволоконной техники. Работа достигла уровня разработанного технического задания на создание действующего макета СКРК.

В СПб ГУ ИТМО создана лабораторная модель линии квантовой криптографии при передаче квантов по воздуху.

Наименее разработан воздушный канал связи с земли на низкоорбитальный космический аппарат (КА). В Лос-Аламосе в Америке разрабатывают методы передачи квантового ключа с земли на низкоорбитальный КА. Все опубликованные результаты передачи одиночных фотонов по воздуху достигнуты в условиях сверхчистой атмосферы и непригодны для передачи информации с земли на НА в реальной атмосфере и, тем более, при наличии облаков.

Мы предлагаем осуществить передачу скрытого квантового ключа с земли на НА с помощью прицельного пучка излучения терагерцового лазера. Терагерцовый диапазон обладает сочетанием ряда уникальных свойств по сравнению с оптическим и радиодиапазонами. Во-первых, релеевское рассеяние у терагерцовых волн на 8-9 порядков меньше, чем у оптического. Во-вторых, терагерцовое излучение можно фокусировать подобно оптическому излучению. В-третьих, расходимость луча терагерцового лазера сравнима с расходимостью пучка оптического лазера, а значит, значительно меньше, чем у радиодиапазона по причине другого способа возбуждения лазерного излучения. В силу последней причины у терагерцового пучка отсутствуют боковые лепестки в «диаграмме направленности». Кроме этого, для диапазона в районе около 5 ТГц прозрачны водяные пары, туман и дисперсные среды с размером частиц в десятки микрон.

Известно несколько типов источников лазерного (когерентного) излучения в терагерцовом диапазоне.

Компания Coherent (США) разработала первый терагерцовый лазер, который предназначен для работы в космосе. Источник излучения с частотой 2,5 ТГц стал первым газовым лазером на парах метанола, удовлетворяющим требованиям, которые предъявляются к приборам, срок службы которых на орбите должен превышать 5 лет. Мощность лазера - 31 мВт (2002 г.).

В университете Лидса (Великобритания) разработана методика для получения излучения терагерцового диапазона регулируемой частоты. Генератор состоит из титан-сапфирового лазера, стеклянного эталона частоты Фабри-Перро и фотопроводящей антенны, генерирующей терагерцовое излучение при генерации разностной частоты (difference frequency generation, DFG). Рабочий диапазон частот может перекрыть в несколько терагерц. Продемонстрирована генерация 0,3 и 0,5 ТГц при 1 мкВт непрерывного режима.

В Гарвардском университете (США), разработан полупроводниковый лазер на квантовых каскадах с электрической накачкой, работающий при комнатной температуре, излучающий на частоте 5 ТГц мощность несколько сотен нановатт. При охлаждении мощность может достигнуть уровня милливатт.

В России в Институте физики твердого тела РАН ведут разработку миниатюрного полупроводникового генератора и детектора терагерцового излучения. Предварительные эксперименты на AlGaAs/GaAs - полупроводниковых структурах показали успешную работу механизмов генерации и детектирования терагерцового излучения в частотном диапазоне 10 ГГц - 0,5 ТГц, генерируемой мощность 0,1 мВт, ширине линии генерации и детектирования 0,1 ГГц и рабочей температуре 180°K и выше.

Однако мощность единичных источников полупроводникового типа явно недостаточна для дальнейшей передачи. Уже существуют работающие источники мощного терагерцового излучения - до 400 ватт в одиночном пучке в виде лазера на свободных электронах. Такой перестраиваемый источник можно создать для проведения экспериментов или как постоянную точку для передачи квантового ключа на НА в Зеленограде на базе строящегося синхротрона. Разработка самого источника проведена в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН в г.Новосибирске (Визуализация излучения мощного терарерцового лазера на свободных электронах с помощью термочувствительного интерферометра. Н.А. Винокуров и др., ЖТехФ, 2007, том 77, вып.7, стр.91-100). Что касается других приемников терагерцового излучения, то известно много их типов.

Аппаратный состав системы глобальной квантовой рассылки ключа СГКРК состоит из нескольких частей (Фиг.1), а именно:

1. Наземная часть для передачи информации, в которую входят:

1.1 комплекс аппаратуры для управления электронной составляющей функционированием низкоорбитальных космических аппаратов (НА1);

1.2 комплекс аппаратуры, с помощью которой создается квантовый ключ и вводится в однофотонную или на связанных состояниях фотонов оптоволоконную или атмосферную линию связи;

1.3 наземная (или подземная) линия оптоволоконной связи или атмосферной связи, предназначенная для передачи квантового ключа от места генерации к месту передачи ключа на НА1;

1.4 комплекс аппаратуры, принимающей сигнал из оптоволоконной или атмосферной линии связи и превращающей его в сигнал терагерцового лазера, направленного на искомый (необходимый) НА1;

1.5 комплекс аппаратуры для высокоточного определения положения НА1 и наведения на него луча терагерцового лазера.

2. Космическая часть следующего НА2, в который входят:

2.1 приемник сигналов когерентного терагерцового диапазона;

2.2 аппаратура превращения принятого с земли сигнала в сигнал терагерцового лазера, направленного на землю, на объект, принимающий квантовый ключ;

2.3 терагерцовый лазер с изменяемой длиной волны;

2.4 аппаратура для прицельного высокоточного наведения луча терагерцового лазера на объект, принимающий квантовый ключ;

2.5 аппаратура для высокоточного определения местоположения объекта, принимающего сигнал терагерцового лазера;

2.6 подсистема для управления этой аппаратурой.

3. Наземная часть для приема информации, в которую входят:

3.1 высокочувствительный приемник терагерцового лазерного сигнала;

3.2 аппаратура для превращения лазерного сигнала в скрытый квантовый ключ.

В случае необходимости сигнал может быть передан с одного НА1 на другой НА2 с помощью разработанных подсистем. В ФНПЦ ФГУП «Научно-исследовательский институт прецизионного приборостроения» разработан для передачи скрытой информации между спутниками, где атмосфера отсутствует, унифицированный терминал межспутниковой высоконаправленной лазерной системы передачи информации. Он предназначен для установки на космических аппаратах с целью обеспечения передачи измерительной, связной, командной и другой информации между низкоорбитальными КА и с низкоорбитального на геостационарный КА. Сведения о возможности скрытой передачи информации с помощью таких устройств за счет точной направленности лазерного луча опубликованы в журнале «Радиотехника», 2004 г., № 10-11, статья Троицкого А.И.

Наиболее целесообразно в качестве НА использовать НА из системы «ГЛОНАСС» и системы «ГОНЕЦ». В этом случае можно существенно сократить затраты на разработку предлагаемой системы.

Технический результат предлагаемого способа заключается в применении современных технологических средств передачи ключа, что приводит к устранению возможности его своевременной расшифровки, для чего необходимо время действия открытого или закрытого ключа сделать меньше времени, необходимого для его расшифровки. Эта расшифровка в ближайшее время будет производиться с помощью сверхскоростных (на несколько порядков), в том числе квантовых кубитовых, вычислительных средствах. Первые успешные попытки сделаны. Известно также, что стало возможным процесс разложения и симметричного и несимметричного ключа на множители свести к биномиальному распределению.

В оптическом диапазоне выявлена возможность синтезирования скрытого одно-, двух- или более фотонного квантового ключа (СФКК), который представляет собой синтез из сцепленных (связанных, перепутанных) состояний, называемых высокоразмерными.

Частая смена СКК, основанного на применении случайных чисел, устраняет возможность предательства при передаче информации. Несанкционированное предоставление СКК, который действует минимально необходимое время (например, порядка 1 сек) и который создан автоматически с применением генератора случайных чисел (ГСЧ), приводит к бессмысленности такого предоставления. Предоставление же принципа действия ГСЧ невозможно, так как он известен, но дает непредсказуемые результаты.

В настоящее время доказана невозможность необнаруженной попытки подслушивания на одноквантовой оптоволоконной линии. Перехватить же узконаправленный терагерцовый лазерный сигнал нельзя, поскольку релеевское рассеяние для этого диапазона на 8-9 порядков меньше, чем для видимого и для инфракрасного (ИК) диапазонов, а обычная для нелазерных радиоволн диаграмма направленности с боковыми лепестками отсутствует. Что касается прохождения этого диапазона через атмосферу, то в спектре водяных паров есть окно в района 5ТГц, а дисперсные частицы с размерами в десятки и сотни микрон не препятствуют его прохождению. Что же касается американской системы перехвата радиоинформации «Эшелон», то она не приспособлена для перехвата как узконаправленной информации оптического диапазона так и, тем более, в терагерцовом диапазоне.

Таким образом, СППКИ позволяет создавать быстрый неперехватываемый квантовый ключ со временем его передачи и временем его применения меньшим времени его расшифровки.

Из вышеизложенного следует важный вывод о нецелесообразности оформления заявки на получение патента на СППКИ закрытой, т.к. целесообразнее продавать лицензии на правопользование, извлекая из этого прибыль. К тому же известно, что создано в одной стране, будет создано и в других. При этом интересы государственные и коммерческие будут соблюдены, т.е. оперативная криптографическая информация каждого субъекта гарантирована, надежность электронной подписи тоже. Хакеры могут отдыхать. Заявленное решение характеризуется следующими признаками: способ приема-передачи крипнографической информации через глобальную квантовую рассылку ключей (ГКРК), содержащий в себе аппаратуру для синтеза однофотонного или высокоразмерного скрытого фотонного квантового ключа (СФКК) в каком-либо пункте, например, на земле через операцию введения его в оптоволоконную линию передачи СФКК на пункт направленной скрытой передачи его и с этого пункта на космический низкоорбитальный аппарат (НА) по направленному атмосферному каналу, например, когерентным лучом в терагерцовом диапазоне, с очередной операцией передачи скрытого квантового ключа (СКК) по высоконаправленному каналу, например, также когерентным лучом терагерцового диапазона или оптическим лазерным лучом на другой (другие) НА, а с него на заключительную (очередную) прицельную скрытую операцию передачи СКК по атмосферному каналу, например, в терагерцовом диапазоне на наземную (наземные) часть (части) для приема информации, отличающийся тем, что СППКИ позволяет создавать быстрый неперехватываемый СКК со временем его жизни, то есть операции передачи и временем его применения, меньше времени его расшифровки при этом сама кодированная информация может быть передана по любому открытому каналу в любые другие пункты, оснащенные соответствующей аппаратурой, на стационарные или движущиеся наземные, подземные, надводные, подводные и летательные объекты, нуждающиеся в быстрой и постоянной смене СКК; частая же смена СКК, на основании применения генератора случайных чисел (ГСЧ) устраняет возможность предательства при операции передачи информации, так как несанкционированное предоставление СКК, который действует минимально необходимое время, например, порядка 1 с и меньше и который создан автоматически с применением ГСЧ, приводит к бессмысленности такого предоставления; предоставление же принципа действия ГСЧ невозможно, так как он известен и дает непредсказуемые результаты.