ВВЕДЕНИЕ 6
1. Обзор по теме исследования 8
1.1. Протокол BB84 8
1.2. Установка квантового распределения ключей Квантового центра ТГУ 11
1.3. Методы поиска экстремумов 13
1.3.1 Точные методы 13
1.3.2 Методы аппроксимации 15
1.4 Библиотеки компьютерной алгебры 17
1.5 Библиотеки тестирования и визуализации работы программы 19
1.5.1 Платформа “Microsoft UnitTest” 19
1.5.2 Библиотека “Matplotlib” 19
2 Автоматизация поиска точки максимума зависимости интенсивности на выходе
интерферометра от напряжения на фазомодуляторе 21
3 Программная реализация и результаты работы 24
Заключение 29
ОПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 30
Приложение А 31
Приложение Б 33
Приложение В 34
В мире стоит задача конфиденциальности и передачи информации. Для этого необходимо непосредственно шифрование, которое обеспечит конфиденциальность и безопасности передаваемой информации. В современном мире, где данные передаются через различные коммуникационные каналы, существует риск их перехвата. Шифрование защищает информацию, делая её “непонятной” для посторонних лиц, если они не обладают соответствующим ключом. Это особенно важно в контексте конфиденциальных данных, таких как финансовая информация, персональные данные, корпоративные секреты и другие. Таким образом встает проблема передачи ключа, которая заключается в том, что необходимо безопасно передать ключ для шифрования данных от отправителя к получателю. Есть две традиционные системы передачи, это симметричная и несимметричная. В симметричных системах оба участника должны использовать один и тот же секретный ключ, что требует безопасного канала для его передачи. Несимметричные системы, такие как системы с открытым ключом, помогают решить эту проблему, но они имеют свои недостатки. Во-первых, они могут быть менее эффективны по сравнению с симметричными системами из-за больших вычислительных затрат. Во-вторых, несимметричные системы, уязвимы к квантовым атакам, что делает их небезопасными в будущем, когда квантовые компьютеры станут более мощными и доступными. Квантовое распределение ключей (КРК)[2], такое как протокол BB84[1], обеспечивает абсолютную безопасность передачи ключа, основанную на законах квантовой механики, и устраняет риски, связанные с классическими методами передачи ключей.
На данный момент протокол BB84 - это один из часто используемых протоколов распределения ключей, по причине высокой надежности. По этому протоколу работает установка квантового распределения ключей (КРК) Квантового центра Национального исследовательского Томского государственного университета (НИ ТГУ).
Метод квантового распределения ключей - это метод передачи (совместной генерации) ключа некоторой криптографической системы, используемой двумя общающимися абонентами для шифрования передаваемой информации. Метод квантового распределения ключей построен на использовании законов квантовой механики, в частности используется измерение поляризации фотона. В источнике фотонов они подготавливаются в состоянии суперпозиции базисных поляризаций. При измерении поляризации, суперпозиция разрушается, что позволяет обнаружить попытку вмешательства третьего лица в канал связи. Метода заключается в том, что абоненты совместно генерируют случайный ключ, передавая сгенерированные биты ключа с помощью фотонов в состоянии суперпозиции. Если обнаруживается факт вмешательства постороннего лица, биты отбрасываются, соответственно постороннее лицо не получает ни в каком виде ключ.
В системе квантового распределения ключей интерферометр играет ключевую роль в создании и контроле состояния фотонов. Фазомодулятор установлен в одно из плеч интерферометра и используется для управления фазой фотонов, что позволяет корректно выполнять протокол BB84. Настройка фазомодулятора необходима для точного выполнения всех операций, связанных с созданием и передачей ключа. Эта настройка обычно осуществляется вручную, что требует человеческих ресурсов и может быть неточной. В проекте предполагается автоматизация процесса калибровки фазомодулятора для упрощения и повышения точности этой процедуры. Это позволит легко и эффективно проводить как разовое, так и массовое распределение ключей. Таким образом, поставлена задача автоматизация настройки фазомодулятора направленная на повышение эффективности и точности процесса квантового распределения ключей.
В данной работе была рассмотрена сложная задача определения напряжения для фазомодулятора, расположенного в одном из плеч интерферометра в системе квантового распределения ключей. Важность этой задачи обусловлена необходимостью точной настройки фазомодулятора для достижения сдвига фазы на половину длины волны, что критически важно для обеспечения функциональности и безопасности протокола квантового распределения ключей. Исследование охватывало анализ существующих методов поиска экстремумов и оценку возможностей различных библиотек для реализации необходимых расчетов. Основываясь на тщательном изучении разделов 1.3, 1.4 и 1.5 курсовой работы, был выбран метод регрессионного анализа с использованием библиотек ALGLIB и Matplotlib, а также платформы Microsoft UnitTest для тестирования программного кода. Этот выбор был обусловлен их способностью к точному моделированию и визуализации данных, что позволяет увеличить надежность и уменьшить ошибки в вычислениях. Разработанное программное решение позволяет автоматизированно определять нужное напряжение фазомодулятора. Оно обеспечивает отображение начальных данных, аппроксимируемой кривой полинома и точки максимума, что является критическим для точной настройки устройства. Для верификации работы программы были выполнены тесты отдельных участков кода, а также разработана специальная программа для генерации экспериментальных данных, имитирующих реальные условия эксплуатации интерферометра. Эта программа генерации создала более 400 зашумленных файлов данных, которые были использованы для тестирования программы. Результаты тестирования на искусственно созданных и реальных экспериментальных данных показали высокую степень согласованности и подтвердили работоспособность метода в различных условиях. Эффективность алгоритма подтверждается успешной калибровкой на реальной установке, что демонстрирует его пригодность для оперативного применения в системах квантового распределения ключей. Процесс автоматизации поиска напряжения существенно упрощает и ускоряет калибровку интерферометра. Повышает точность настройки, минимизирует риски ошибок, связанных с человеческим фактором и природой физических приборов.
