Согласно сообщениям СМИ, Шанхайский университет Цзяо Тонг решил одну из старейших телекоммуникационных проблем: чем быстрее вы передаете информацию по лучу света, тем сложнее сохранить ее в тайне. В ходе лабораторных и полевых испытаний, о которых на днях было сообщено в National Science Review, команда под руководством профессора Л. Йи передавала один терабит в секунду — примерно 40 трансляций Netflix в формате Ultra HD ‑ по стандартному оптоволокну протяженностью 1200 км (750 миль), не оставляя подслушивающим устройствам ничего, кроме шипения. Как указывается, решение заключается в программно‑определяемом уровне “интегрированного шифрования и связи” (IEAC), который скрывает шифр внутри физики самого света.
Современные магистральные каналы связи уже передают сотни гигабит, но они основаны на шифровании более высокого уровня (IPSec, TLS), которое не обеспечивает никакой защиты, как только хакер перехватывает необработанный оптический сигнал. Существуют реальные варианты на физическом уровне ‑ квантовое распределение ключей или хаотические лазеры, — но они замедляют работу сетей или требуют экзотического оборудования.
Традиционные флэш‑накопители имеют свою проблему: секретность одноразового ввода (OTP), но на скорости в килобайты. IEAC - первая архитектура, которая обеспечивает и то, и другое одновременно, поскольку позволяет использовать формат модуляции, “алфавит” световых импульсов, в качестве шифра.
Объясняя принцип превращения IEAC каждого символа в одноразовую панель, исследователи указывают, что свет внутри оптоволокна - это нечто похожее на точки на доске для игры в дартс: каждая точка представляет собой комбинацию амплитуды и фазы, которая кодирует несколько битов. В коммерческих линиях связи со скоростью 400 Гбит/с уже используется геометрическое формирование созвездий (GCS), чтобы придать этим точкам структуру, которая не подвержена рассеянию и шуму. По этому принципу нейронная сеть выбирает новую псевдослучайную схему для каждого пакета данных, управляемую высокоскоростными генераторами случайных чисел в передатчике и приемнике. В случае использования архитектуры IEAC, авторизованные пользователи делятся исходными данными, поэтому они видят четкую схему; простой пользователь видит снежную бурю.
При реализации своего проекта китайские исследователи провели математическую оптимизацию для получения максимальной взаимной информации (MI) между двумя юридическими узлами и минимальной MI для всех, у кого нет ключа. На практике пропускная способность перехватчика упала с обычных четырех бит на символ до менее чем 0,2, что настолько мало, что восстановленный поток статистически неотличим от фонового шума.
Исследователи указывают, что для демонстрации аппаратного обеспечения использовались 26 длин волн, распределенных по всему C‑диапазону, что в общей сложности составляет 3,9 ТГц спектра. По каждому каналу передавались сигналы двойной поляризации с частотой 32 Гбит/с, сформированные с помощью систем, сгенерированных искусственным интеллектом, а затем передавались по контуру рециркуляции, который имитировал 1200 км проложенного оптоволокна с нелинейными искажениями. В конечном счете, команда зафиксировала частоту ошибок в битах ниже 2 × 10-2, что вполне соответствует коммерческим возможностям прямой коррекции ошибок, при этом чистая загрузка по‑прежнему составляет 1 Тбайт в секунду. Поскольку IEAC использует стандартную когерентную оптику - ничего квантового, никаких черных ящиков с вакуумной изоляцией, ‑ исследователи уверяют, что ее можно внедрить в качестве обновления встроенного ПО для существующих транспондеров. Конструкция также масштабируема: механизм машинного обучения может переобучаться для более длинных диапазонов, более плотных сеток длин волн или модуляции более высокого порядка по мере совершенствования аппаратного обеспечения.
Профессор Йи из Шанхайский университет Цзяо Тонг называет эту систему "мостом между безопасностью завтрашнего дня и терабитными трубами, которые нужны нам сегодня". С помощью одного лабораторного прототипа команда продемонстрировала, что шифрование больше не является обязательным налогом ‑ его можно использовать на всех континентах по линейной цене.