Взломать станет сложнее. В Сингапуре создали квантовый генератор с функцией самопроверки

Это изобретение решает давнюю проблему безопасности в системах цифрового шифрования, где случайные числа являются критически важными для создания ключей кодирования, защиты транзакций и электронных подписей.

Большинство современных квантовых генераторов работают по так называемой «модели доверенного устройства». Она предполагает, что лазеры, модуляторы и детекторы безупречно соответствуют техническим характеристикам в течение всего срока эксплуатации. Однако если какой-то компонент подвергнется несанкционированному вмешательству или выйдет из строя, выходные данные могут стать предсказуемыми, что грозит незаметным взломом системы. Новый чип устраняет этот риск благодаря протоколу, не зависящему от измерительного устройства. Пользователям нужно доверять только квантовым световым сигналам, которые поступают в систему, а не самому детектору. Во время работы устройство генерирует известные квантовые состояния света и сравнивает реакцию детектора с предсказаниями квантовой теории. Если результаты совпадают, система трансформирует данные в сертифицированные случайные числа, а в случае малейшего расхождения — автоматически останавливает процесс.

Исследовательская группа под руководством доцента Чарльза Лима объединила кодировщик сигнала и оптический детектор на одном кремниевом чипе. Его изготовили с помощью стандартного технологического процесса на базе 200-миллиметровых (8-дюймовых) пластин, который широко применяется в полупроводниковой промышленности. В отличие от многих других квантовых технологий, это устройство стабильно работает при комнатной температуре и не требует сложного криогенного охлаждения. Ученые также решили техническую проблему кремниевых модуляторов света, где изменение фазы могло случайно изменить яркость и навредить безопасности: команда внедрила метод управления, который компенсирует этот эффект.

Во время испытаний детектор чипа достиг общей эффективности в 69,1%, что превысило минимальное требование протокола в 67%. Тесты подтвердили, что система производит совершенно новую случайность, ведь количество сгенерированных сертифицированных битов превысило объем входных данных. Анализ безопасности устройства базируется на наихудшем сценарии, при котором злоумышленник может иметь квантовые корреляции с самим детектором, что делает его самым защищенным чипом такого типа на сегодня.

Высокая надежность пока имеет свою цену в скорости действия. Экспериментальная система генерирует только 64 бита в секунду, что значительно медленнее конвенциональных квантовых генераторов, скорость которых может превышать 100 гигабит в секунду. Однако разработчики уверены, что производительность существенно возрастет благодаря использованию более совершенных детекторов. Лабораторные фотодиоды команды уже достигли эффективности в 92,4%, а компьютерное моделирование показывает, что будущие версии микросхемы смогут обеспечить скорость передачи данных до 68 мегабит в секунду.

По словам доцента Чарльза Лима, это изобретение открывает прямой путь к интеграции практических квантовых генераторов с функцией самопроверки в компактные и защищенные коммерческие системы.

Результаты этой передовой научной работы были официально опубликованы в авторитетном физическом журнале PRX Quantum.