Как свет «передает» информацию: ученые разработали оптико-цифровую систему кодирования, которую невозможно взломать

Как известно, любой компьютерный файл по сути есть совокупность единиц и нулей. Для осуществления оптического кодирования информации необходимо вначале «визуализировать», а точнее представить файл в виде пространственного сигнала, для чего используется так называемый «пространственно-временной модулятор света», который выглядит как небольшой полупрозрачный или отражающий экран. На этом экране содержимое файла отображается в виде совокупности тёмных и светлых точек (вариантом такого представления является QR-код).

Оригинальный алгоритм оптимально представляющий цифровую информацию в виде совокупности пикселов в разработанной системе создан инженером кафедры лазерной физики НИЯУ МИФИ кандидатом физико-математических наук Анной Шифриной. Экран освещается лазерным излучением. Свет, проходящий через экран с помощью системы линз попадает на второй модулятор, на котором голографическим методом представлен кодирующий ключ и, таким образом, цифровая информация последовательно получает оптическое «воплощение» и уже в таком виде подвергается кодированию. На выходе у системы мы получаем изображение совокупности бесформенных пятен, которые и являются закодированным визуальным представлением исходной информации. Эти пятна можно сфотографировать цифровой камерой (разумеется, это должно быть сделано с высоким разрешением и малыми шумами) и дальше передать фотографию по каналу связи вашему партнеру, не опасаясь, что по дороге она будет перехвачена третьими лицами.

У корреспондента в компьютере должен быть ключ к шифру, с помощью которого он из переданного изображения бесформенных пятен путём расчёта сможет извлечь первоначальное сообщение. Методы представления ключа и регистрации выходного светового распределения системы, а главное алгоритмы восстановления данных разработаны сотрудниками Лаборатории к.ф.м.н. Виталием Красновым и к.ф.м.н. Павлом Черёмхиным.

Зачем нужна такая сложная, «многоэтажная» система? Затем же, зачем вообще нужны системы шифрования, но, как поясняет Павел Черёмхин, разработка обладает двумя важными преимуществами. Во-первых, высокой производительностью: обработка и кодирование информации может осуществляться со скоростью во многие десятки гигабит в секунду. Второе преимущество связано с первым: у системы очень низкая криптографическая уязвимость, поскольку в ней используется ключ, размеры которого измеряются многими килобайтами.

По словам заведующего Лабораторией профессора Ростислава Старикова, стойкость к взлому разработанной системы кодирования сопоставима с аналогичными показателями систем квантового шифрования – с той, однако, разницей, что реально работающих систем на основе квантового кодирования в широкой практике пока не существует из-за уникальности используемой при их построении элементной базы. В новой оптической системе используются относительно недорогие массово доступные элементы. Для испытания криптостойкости системы специально проводят тестовые «хакерские» атаки с использованием нейросетевых методов – но разработка пока что успешно выдерживает испытания.

Для создания нового «кодировщика» учёным понадобились не только разработка математических алгоритмов, но и хорошее знание того, как работают оптические системы, включая и понимание природы искажений, которые претерпевает «оптическая» информация внутри технических систем.

По словам Ростислава Старикова, в основу разработки положены идеи, выдвинутые ещё в 1990-2000 годах, несколькими исследовательскими группами в мире; в частности, в России первые исследования в этом направлении выполнены именно в МИФИ.

По-настоящему же реализовать подобные системы стало возможным только теперь, когда электронные и оптические технологии, а также компьютерная техника достигли достаточного уровня развития.

Сотрудники лаборатории уверены, что созданная оптико-цифровая система может стать бизнес-проектом, для которого стоило бы поискать инвесторов.

Проект реализован благодаря поддержке Российского научного фонда и программы Приоритет 2030.