Шум замість даних: як Китай приховує інформацію і передає її зі швидкістю 1 ТБ/с

Шанхайський університет Цзяотун вирішив одну з найстаріших проблем телекомунікацій. Вчені передали 1 ТБ/с — приблизно 40 потоків Ultra-HD Netflix — через 1200 км стандартного оптоволокна, не залишаючи перехоплювачам нічого, крім шуму.

Про це пише видання interestingengineering.com.

Технологія поєднує секретність одноразового шифрблокнота з пропускною спроможністю в терабіт, залишаючи перехоплювачам лише безглуздий шум. Фокус полягає в програмно-визначуваному шарі "інтегрованого шифрування і зв'язку" (IEAC), який приховує шифр всередині фізики самого світла.

Чому складно об'єднати швидкість і секретність передавання даних

Сучасні магістральні канали вже передають сотні гігабіт, але вони покладаються на шифрування IPsec, TLS, яке, тим не менш, не заважає хакерам перехоплювати необроблений оптичний сигнал. Існують варіанти шифрування фізичного рівня — квантовий розподіл ключів або хаотичні лазери, — однак вони сповільнюють мережі до мінімуму або потребують дорогого обладнання.

У традиційних флеш-накопичувачів протилежна проблема: секретність одноразового шифру (OTP), але на кілобайтних швидкостях. IEAC — перша архітектура, яка обіцяє і те, і інше одночасно, оскільки вона дає змогу формату модуляції, "алфавіту" світлових імпульсів, подвоюватися як шифр.

Як IEAC перетворює кожен символ на одноразовий шифр

Уявіть собі світло всередині волокна як точки на мішені для дартсу: кожна точка являє собою комбінацію амплітуди і фази, яка кодує кілька бітів. Нейронна мережа вибрала нову псевдовипадкову схему для кожної такої "мішені", керованої високошвидкісними генераторами випадкових чисел на передавачі та приймачі. У підсумку авторизовані користувачі змогли ділитися початковим числом, і тому вони побачили акуратний шаблон, а ось той, хто намагався здійснити несанкціоноване перехоплення даних, побачив лише щось на кшталт "снігової бурі".

Математично дослідники оптимізували для максимальної взаємної інформації (MI) між двома законними вузлами і мінімальної MI для тих, у кого немає ключа. На практиці MI перехоплювача впав зі звичайних чотирьох біт на символ до рівня нижче 0,2, настільки низького, що відновлений потік статистично не відрізняється від фонового шуму.

Як передали 1 ТБ даних по оптоволокну

Демонстрація обладнання використовувала 26 довжин хвиль, розподілених по всьому C-діапазону, що в сумі становило спектр 3,9 ТГц. Кожен канал працював з 32-гігабітними сигналами з подвійною поляризацією, сформованими згенерованими ШІ сузір'ями, потім проходив через рециркуляційний контур, який імітував 1200 км встановленого волокна з нелінійними спотвореннями. На дальньому кінці команда зареєструвала частоту помилок за бітами нижче 2 × 10-² — комфортно в межах комерційної корекції помилок — водночас все ще тактуючи 1 Тбіт/с чистого корисного навантаження.

Чому нова розробка важлива для ШІ

Глобальний трафік центрів обробки даних подвоюється кожні два–три роки, підштовхуваний навчанням моделей і хмарною аналітикою. Операторам потрібна велика ємність і гарантована конфіденційність для медичних записів, фінансових угод або роботи ШІ-моделей.

Оскільки IEAC використовує стандартну когерентну оптику — нічого квантового, ніяких вакуумно-герметичних "чорних ящиків" — його можна розгорнути як оновлення прошивки всередині наявних транспондерів. Конструкція також масштабована: механізм машинного навчання може перенавчатися для довших діапазонів, щільніших сіток довжин хвиль або модуляції вищого порядку в міру поліпшення обладнання.

Учені називають структуру "мостом між безпекою завтрашнього дня і терабітними каналами". За допомогою одного лабораторного прототипу команда показала, що шифрування більше не повинно бути додатковим податком — його можна вбудувати у світло, на швидкості лінії, на континентальних відстанях.