Квантовая криптография: что это такое?

      Комментарии к записи Квантовая криптография: что это такое? отключены

Квантовая криптография: что это такое?

Представьте себе, что перед тем как послать Email другу, вы должны дотянуться карту, измерить расстояние до города, где он живет, и в случае если окажется, что это расстояние больше, чем 100 км, вы со вздохом берете карандаш и бумагу и беретесь за простое «бумажное» письмо — email дальше, чем на 100 км, не ходит.

Абсурдная обстановка? Но как раз так на данный момент обстоят дела с передачей квантовых данных по оптоволоконным линиям связи — рекордная дальность передачи тут до сих пор только мало превышает сотню километров, а бесперебойная работа на обычных, не рекордных линиях по большому счету ограничивается 40 км. Это указывает, к примеру, что линию квантовой коммуникации возможно организовать в Москвы, а вот о передаче данных в Санкт-Петербург до тех пор пока нечего и думать.

Каковы же возможности квантовой криптографии в области дальней связи?

блокноты и Банкноты

История квантовой криптографии началась еще во второй половине шестидесятых годов прошлого века, в то время, когда студент Колумбийского университета Стивен Визнер изложил собственному бывшему сокурснику Чарльзу Беннету идею квантовых банкнот, каковые в принципе нельзя подделать, потому, что это исключают законы природы. Сущность идеи была в том, чтобы поместить на каждую банкноту пара квантовых объектов.

Это смогут быть, к примеру, ловушки с фотонами, любой из которых поляризован под определенным углом в одном из двух базисов — или под углом 0 и 90, или 45 и 135 градусов. Серийный номер напечатан на банкноте, но соответствующая номеру комбинация базисов и поляризаций (фильтров, благодаря которым фотону придается либо измеряется его поляризация) наряду с этим известна лишь банку.

Дабы подделать такую банкноту, фальшивомонетчик обязан измерить поляризацию каждого фотона, но он не знает, в каком базисе поляризован любой из них. Если он совершит ошибку с базисом, то поляризация фотона изменится, и поддельная банкнота будет с неверной поляризацией. Квантовые деньги до сих пор не появились, потому, что пока не удалось создать достаточно надежных ловушек для фотонов.

Но тогда же Визнер внес предложение применять тот же самый принцип для защиты информации, и эта разработка на данный момент уже близка к реализации.

Идеи Визнера,впрочем , были признаны далеко не сходу. Еще в первой половине семидесятых годов прошлого века Визнер послал собственную статью о квантовой криптографии в издание IEEE Transactions on Information Theory, но рецензентам и редакторам язык статьи показался через чур сложным. Только в первой половине 80-ых годов XX века эта статья заметила свет в издании ACM Newsletter Sigact News, и именно она стала первой в истории статьёй об базах квантовой криптографии.

Первоначально Визнер и Беннет разглядывали вариант передачи зашифрованных сообщений посредством квантовых «носителей», наряду с этим подслушивание портило бы сообщение и не давало возможности его прочесть. После этого они пришли к улучшенному варианту — применению квантовых каналов для передачи одноразовых «шифроблокнотов» — шифровальных ключей.

Самая полезная информация — шифровальные ключи. В случае если ключ имеет длину, равную самому сообщению либо еще дольше, то расшифровать послание, не зная ключа, нереально.

Закрытый конверт

Квантовые совокупности связи основаны на применении квантовых особенностей носителей информации. В случае если в простых телекоммуникационных сетях эти кодируются в частоте и амплитуде излучения либо электрических колебаний, то в квантовых — в амплитуде электромагнитного поля либо в поляризации фотонов.

Очевидно, потребуется намного более дорогая и сложная аппаратура, но эти ухищрения оправданны: дело в том, что передача информации по квантовым каналам снабжает стопроцентную защиту от «прослушки». В соответствии с законам квантовой механики измерение особенностей того либо иного квантового объекта, к примеру измерение поляризации фотона, неминуемо меняет его состояние.

Получатель заметит, что состояние фотонов изменилось, и не допустить это запрещено в принципе — таковы основные законы природы. Это возможно обрисовать таковой аналогией: представьте себе, что вы пересылаете письмо в закрытом конверте. В случае если кто-то откроет письмо и прочтёт его, цвет бумаги изменится, и получатель неминуемо осознает, что послание просматривал кто-то третий.

Самая полезная информация — это шифровальные ключи. В случае если ключ имеет длину, равную самому сообщению либо еще дольше, то расшифровать послание, не зная ключа, в принципе нереально. Остается организовать защищенную передачу ключей, а это именно и снабжают квантовые линии связи.

Но до тех пор пока расстояние передачи данных для таких линий через чур мала: из-за тепловых шумов, утрат, недостатков в оптоволокне фотоны не «выживают» на громадных расстояниях.

Квантовые ключи

Множество исследовательских групп в мире разрабатывают устройства «восстановления» квантовых данных — так именуемые квантовые повторители, каковые способны «оживлять» фотоны. Несколько исследователей из Русского квантового центра под управлением доктора наук Александра Львовского отыскала метод восстанавливать свойства фотонов и подтвердила в опыте работоспособность этого способа.

Ученые занимались изучением феномена квантовой запутанности, при котором состояния двух либо нескольких объектов — атомов, фотонов, ионов — выясняются связаны. В случае если состояние одного из пары запутанных фотонов измерить, то состояние второго срочно станет определенным, причем состояния их обоих будут связаны конкретно — к примеру, в случае если один фотон окажется поляризован вертикально, то второй — горизонтально и напротив.

«В случае если распределять пары запутанных фотонов между двумя удаленными партнерами, то они оба приобретают одну и ту же последовательность, которую возможно применять как шифровальный ключ, потому, что это действительно случайная последовательность, которую нельзя угадать либо вычислить. В случае если же кто-то постарается подсмотреть запутанные фотоны, корреляция между ними потеряется и из них больше запрещено будет извлечь ключ», — растолковывает Александр Львовский.

Задача пребывает в том, дабы сохранить состояние квантовой запутанности при передаче на громадные расстояния. До сих пор с этим появлялись громадные неприятности. По оптоволоконным сетям до сих пор не получалось передавать запутанные фотоны на расстояние больше 100 км.

На б? льших расстояниях квантовые эти в шумах. В простых телекоммуникационных сетях применяют различные типы повторителей либо усилителей сигнала, каковые усиливают амплитуду сигнала и убирают шумы, но при с квантовыми данными данный подход не работает. Фотон нельзя «усилить», при попытке измерить его параметры состояние фотона изменится, соответственно, все преимущества квантовой криптографии исчезают.

Квантовые повторители

Ученые из различных государств пробуют создать разработку квантовых повторителей — устройств, талантливых «воссоздавать» квантовую данные, не разрушая ее. Несколько Львовского, думается, нащупала путь, способного привести к успеху. Еще в 2002 году он и его сотрудники нашли интересный эффект, что был назван «квантовым катализом», по аналогии с химическим термином, где определенные реакции смогут идти лишь в присутствии особенного вещества — катализатора.

В их опыте световой импульс смешивался со «запасным» одиночным фотоном на частично пропускающем свет зеркале. После этого данный фотон «удаляли». Казалось бы, состояние светового импульса не должно было изменяться.

Но, в силу парадоксальных особенностей квантовой интерференции, фотон менял его в сторону «усиления» квантовых особенностей.

«В то время это явление смотрелось не более чем курьезным феноменом, каковых в квантовой физике множество. Сейчас же оказалось, что оно имеет серьёзное использование на практике — разрешает вернуть запутанность квантовых состояний света», — говорит Александр Львовский.

В собственной новой работе, отчет о которой был размещён в издании Nature Photonics, ученые обучились заново запутывать «распутавшиеся» фотоны. В качестве источника запутанных фотонов в опыте они применяли нелинейный кристалл титанил-фосфата калия с периодической доменной структурой. Его «обстреливали» пикосекундными импульсами света, каковые генерировал титан-сапфировый лазер.

В следствии в кристалле рождались запутанные пары фотонов, каковые ученые отправляли в два различных оптических канала. В одном из них свет подвергался 20-кратному ослаблению посредством затемненного стекла, в следствии чего уровень запутанности падал практически до нуля. Это соответствует уровню утрат в 65 км простого оптоволоконного кабеля. После этого ослабленный сигнал направляли на светоделитель, где и проходил процесс квантового катализа.

Ученые из группы Львовского именуют данный процесс «квантовой дистилляцией», потому, что на выходе остается меньше фотонов, но их уровень запутанности возрастает практически до исходного. «Из миллиона слабо запутанных пар фотонов получается одна очень сильно запутанная. Но наряду с этим уровень корреляции восстанавливается до первичной, и не смотря на то, что скорость передачи данных пара понижается, мы можем взять устойчивую сообщение на существенно большем расстоянии», — говорит сотрудник Львовского Александр Уланов.

Не только для шпионов

На базе данной технологии возможно будет создавать квантовые повторители, пригодные для коммерческого применения. «Для этого имеется и другие способы, но как их применять в условиях существующих источников квантовой запутанности, неясно. Это оказывается непропорционально дорого. Быть может, отечественный повторитель будет и несложнее, и дешевле», — говорит Львовский. Согласно его точке зрения, при благоприятных условиях первый прототип для того чтобы повторителя возможно создан через четыре-пять лет.

А появление его на рынке может открыть дорогу вправду массовому применению квантовой криптографии, что без шуток поменяет жизнь не только военных либо банкиров.

«Это относится каждого из нас. Квантовая криптография — это не только какие-то армейские либо шпионские секреты, это номера кредитных карточек, это истории заболевания. У каждого из нас масса тайной информации, и чем более открытым делается мир, тем ответственнее для нас осуществлять контроль доступ к ней», — говорит Львовский.

Применение квантовых способов передачи шифровальных ключей может без шуток осложнить жизнь преступников, у которых сейчас не будет возможности перехватить и расшифровать данные.

    Обмен информацией выглядит так: В случае если шпион (его в большинстве случаев именуют «Евой», от британского eavesdropping — подслушивание) захочет перехватить тайный ключ, он обязан будет измерять поляризацию фотонов. Потому, что он не знает базиса, он обязан будет определять его случайным образом. В случае если базис будет выяснен неправильно, то Ева не возьмёт верных данных, а помимо этого, поменяет поляризацию фотона.

Показавшиеся неточности сходу найдут и Алиса, и Боб.

Вскрытие на слух

Первый успешный опыт по квантовой передаче данных был совершён Беннетом и Жилем Брассаром в последних числах Октября 1989 года, в то время, когда защищенная квантовая сообщение была установлена на расстоянии 32,5 см. Установка меняла поляризацию фотонов, но наряду с этим блок питания шумел по-различному в зависимости от того, какой была поляризация. Так, окружающие имели возможность вольно различать единицы и нули на слух.

Как пишет Брассар, «отечественный прототип был защищен от любого подслушивающего, что был бы глухим». В октябре 2007 года способы квантовой криптографии были в первый раз применены в крупномасштабном проекте. Совокупность квантовой защищенной связи, созданная швейцарской компанией Id Quantique, употреблялась для передачи информации о итогах голосования на выборах в парламент в швейцарском кантоне Женева.

Так, голоса швейцарцев были защищены как никакая вторая информация.

Первый протокол

Первый протокол квантового распределения ключей был создан Жилем Брассаром и Чарльзом Беннетом в первой половине 80-ых годов XX века и стал называться BB84. Для передачи данных употребляются фотоны, поляризованные в четырех различных направлениях, в двух базисах — под углом 0 и 90 градусов (обозначается знаком +) или 45 и 135 градусов (?).

Отправитель сообщения A (традиционно его именуют «Алиса») поляризует любой фотон в случайно выбранном базисе, а после этого отправляет его получателю B — «Бобу». Боб измеряет любой фотон, также в случайно выбранном базисе. Затем Алиса по открытому каналу информирует Бобу последовательность собственных базисов, и Боб отбрасывает неправильные (не совпавшие) базисы и информирует Алисе, какие конкретно эти «не прошли».

Наряду с этим сами значения, полученные в следствии измерений, они по открытому каналу не обсуждают.

Статья «Запутать распутанное» размещена в издании «Популярная механика» (№160, февраль 2016).

Эволюция криптографии


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: