Qsim

Библиотека Python для симуляции квантовых коммуникаций и квантовой памяти.

Реализует:

• протокол квантового распределения ключей BB84 (с симуляцией перехватчика);
• шифрование сообщений на основе квантового ключа (XOR + SHA-256);
• хранение данных в квантовых осцилляторах (кудиты, QuTiP);
• моделирование деградации квантовой памяти (уравнение Линдблада);
• визуализацию волновой функции 2D гармонического осциллятора.

---

Установка

pip install -r requirements.txt

Для установки как пакета (из папки, содержащей Qsim/):

pip install -e ./Qsim

---

Структура проекта

Qsim/
├── __init__.py      -- экспорт классов библиотеки
├── qsim.py          -- классы Qsim и QuantumMemoryServer
├── net.py           -- класс RealisticQuantumMemory
├── setup.py         -- метаданные пакета
├── requirements.txt -- зависимости
├── README.md        -- описание библиотеки
└── annotation.txt   -- аннотация библиотеки

---

Классы

Qsim

Основной класс симулятора квантового распределения ключей.

Параметр	Тип	Описание
num_bits	int	Количество кубитов для генерации ключа (по умолчанию 32)
use_quantum_memory	bool	Включить квантовую память в демонстрацию
default_eve_active	bool	Активировать перехватчика по умолчанию

Основные методы:

Метод	Описание
simulate_qkd_bb84(num_bits, eve_active)	Симуляция BB84, возвращает (qber, key_alice, key_bob)
find_secure_channel(num_bits, ...)	Итеративный поиск канала с QBER ниже порога
encrypt_message(plaintext, key)	Зашифровать строку, вернуть Base64
decrypt_message(base64_msg, key)	Расшифровать Base64-строку
classical_message_exchange(key, ...)	Обмен сообщениями с демонстрацией атаки Евы
display_2d_harmonic_oscillator_animation(...)	2D-анимация гармонического осциллятора
run_demonstration(...)	Полная демонстрация всех функций

---

QuantumMemoryServer

Сервер квантовой памяти на кудитах.

Параметр	Тип	Описание
num_qudit_levels	int	Число уровней Фока каждого кудита (по умолчанию 10)
memory_capacity_qudits	int	Общее число слотов памяти (по умолчанию 100)

Основные методы:

Метод	Описание
store_client_data(client_id, base64_msg)	Сохранить зашифрованные данные клиента
retrieve_client_data(client_id)	Извлечь данные клиента из памяти

---

RealisticQuantumMemory

Модель деградации квантовой памяти.

Параметр	Тип	Описание
memory_capacity_qudits	int	Число слотов памяти
num_qudit_levels	int	Уровни Фока
kappa	float	Скорость декогеренции (1/с), по умолчанию 2.5

Основные методы:

Метод	Описание
store_data(data_bytes)	Загрузить байты в слоты памяти
simulate_decay(total_time, steps, mode)	Симуляция Линдблада, режимы: "none", "protected", "ideal"
generate_visualizations()	Генерация GIF-анимаций и сравнительного графика

---

Примеры использования

1. Квантовое распределение ключей (BB84)

from qsim import Qsim

sim = Qsim(num_bits=32)

# Установить безопасный канал (без перехватчика)
key = sim.find_secure_channel(num_bits=32, eve_active=False)
print(f"Ключ: {key[:20]}...")

# Тот же канал с перехватчиком -- обычно не устанавливается
sim.eve_name = "Ева"
key_with_eve = sim.find_secure_channel(num_bits=32, eve_active=True, max_attempts=5)
if not key_with_eve:
    print("Перехватчик обнаружен, канал не установлен.")

2. Шифрование и расшифрование сообщений

from qsim import Qsim

sim = Qsim(num_bits=32)
key = sim.find_secure_channel(num_bits=32, eve_active=False)

encrypted = sim.encrypt_message("Секретное сообщение", key)
print(f"Зашифровано: {encrypted}")

decrypted = sim.decrypt_message(encrypted, key)
print(f"Расшифровано: {decrypted}")

3. Обмен сообщениями с демонстрацией MITM-атаки

from qsim import Qsim

def alice_gen():
    yield "Привет, Боб!"
    yield "Кодовое слово: 'Квант'"

def bob_gen():
    yield "Получил. Подтверждаю: 'Квант'."

sim = Qsim(num_bits=32)
sim.alice_name = "Алиса"
sim.bob_name = "Боб"
sim.eve_name = "Ева"

key = sim.find_secure_channel(num_bits=32, eve_active=False)
sim.classical_message_exchange(key, alice_gen, bob_gen)

4. Хранение данных в квантовой памяти

from qsim import Qsim, QuantumMemoryServer

sim = Qsim(num_bits=32)
key = sim.find_secure_channel(num_bits=32, eve_active=False)

server = QuantumMemoryServer(num_qudit_levels=10, memory_capacity_qudits=300)

# Боб шифрует и сохраняет пароль
encrypted = sim.encrypt_message("МойПароль123", key)
server.store_client_data("Боб", encrypted)

# Боб извлекает и расшифровывает пароль
retrieved = server.retrieve_client_data("Боб")
print(sim.decrypt_message(retrieved, key))

5. Моделирование деградации квантовой памяти

from qsim import RealisticQuantumMemory
import numpy as np

mem = RealisticQuantumMemory(num_qudit_levels=10, kappa=2.5)
mem.store_data([9, 3, 7])

# Симуляция без защиты
times, states = mem.simulate_decay(total_time=1.0, steps=50, mode="none")

# Симуляция с кодами Бозе
times, states_prot = mem.simulate_decay(total_time=1.0, steps=50, mode="protected")

# Генерация GIF-анимаций и сравнительного графика
mem.generate_visualizations()

6. Полная демонстрация

from qsim import Qsim

def alice_messages():
    yield "Привет, Боб! Это Алиса."
    yield "Как насчет обеда завтра?"

def bob_messages():
    yield "Привет, Алиса! Давай пообедаем."

sim = Qsim(num_bits=32, use_quantum_memory=True, default_eve_active=True)
sim.run_demonstration(
    alice_name="Алиса",
    bob_name="Боб",
    eve_name="Ева",
    alice_msg_gen=alice_messages,
    bob_msg_gen=bob_messages,
)

---

Требования

• Python >= 3.9
• numpy >= 1.24
• scipy >= 1.10
• matplotlib >= 3.7
• qutip >= 5.0
• qiskit >= 1.0
• qiskit-aer >= 0.14

---

Лицензия

AGPL-3.0 License