Квантовая запутанность передача информации



Российский и чешско-словацкий физики предложили метод сохранения квантовой запутанности фотонов при прохождении усилителя или передаче на большое расстояние.

Квантовая запутанность или сцепленность частиц – явление связи их квантовых характеристик. Она может возникать при рождении частиц в одном событии или их взаимодействии. Эта  связь может сохраняться, даже если частицы расходятся на большое расстояние, что позволяет передавать с их помощью информацию. Дело в том, что если измерить квантовые характеристики одной из связанных частиц, то автоматически становятся известны и характеристики второй. Эффект не имеет аналогов в классической физике. Он был экспериментально доказан в 1970 – 80-х годах, и его активно изучают в последние несколько десятилетий. В перспективе он может стать основой целого ряда информационных технологий будущего.


Забавную житейскую аналогию этого явления придумал один из его исследователей, физик-теоретик Джон Белл. Его коллега Рейнгольд Бертлман страдал рассеянностью и часто приходил на работу в носках разного цвета. Предсказать эти цвета было невозможно, но Белл шутил, что достаточно увидеть розовый носок на левой ноге Бертлмана, чтобы сделать вывод, что на правой ноге у него носок другого цвета, даже не видя его.

Одна из проблем практического использования явления квантовой запутанности заключается в нарушении связи при  взаимодействии частиц с окружающим миром. Такое может произойти при усилении сигнала или при его передаче на большое расстояние. Эти два фактора могут действовать и вместе, поскольку для передачи сигнала на большое расстояние его надо усиливать. Поэтому фотоны после прохождения через многие километры оптоволокна в большинстве случаев перестают быть квантово запутанными и превращаются в обычные, не связанные между собой кванты света. Чтобы избежать разрушения связи в экспериментах по квантовым вычислениям, приходится использовать охлаждение до близких к абсолютному нулю температур.

Физики Сергей Филиппов (МФТИ и Российский квантовый центр в Сколково) и Марио Зиман (Масариков университет в Брно, Чехия, и Физический институт в Братиславе, Словакия) нашли способ сохранить квантовую запутанность фотонов при прохождении через усилитель или, напротив, при передаче на большое расстояние. Подробности опубликованы в статье (см. также препринт) для журнала Physical Review A.


Суть их предложения заключается в том, что для передачи сигналов определенного вида необходимо, чтобы «волновая функция частиц в координатном представлении не должна иметь вид гауссова волнового пакета». В этом случае вероятность разрушения квантовой запутанности становится намного ниже.

Волновая функция – одно из базовых понятий квантовой механики. Она используется для описания состояния квантовой системы. В частности, явление квантовой запутанности описывается на основе представлений об общем состоянии связанных частиц с определенной волновой функцией. В соответствии с копенгагенской интерпретацией квантовой механики физический смысл волновой функции квантового объекта в координатном представлении заключается в том, что квадрат ее модуля определяет вероятность обнаружить объект в данной точке. С ее помощью можно также получить информацию об импульсе, энергии или еще какой-либо физической величине объекта.

Гауссова функция — одна из важнейших математических функций, нашедшая применение не только в физике, но и во многих других науках вплоть до социологии и экономики, имеющих дело с вероятностными событиями и использующих статистические методы. Очень многие процессы в природе приводят к этой функции при математической обработке результатов наблюдений. Ее график выглядит как колоколообразная кривая.  


Обычные фотоны, которые используются сейчас в большинстве экспериментов по квантовому запутыванию, тоже описываются гауссовой функцией: вероятность найти фотон в той или иной точке в зависимости от координат точки имеет колоколообразный гауссов вид. Как показали авторы работы, в этом случае переслать запутанность далеко не получится, даже если сигнал очень мощный.

Использование фотонов, волновая функция которых имеет иную, негауссову, форму, должна существенно повысить число доходящих до адресата запутанных фотонных пар. Однако это не означает, что сигнал можно будет передать через сколь угодно непрозрачную среду или на сколь угодно большое расстояние, – если соотношение сигнал/шум падает ниже некоторого критического порога, то эффект квантовой запутанности исчезает в любом случае.

Физики уже научились создавать запутанные фотоны, разнесенные на несколько сотен километров, и нашли им несколько очень перспективных применений. Например, для создания квантового компьютера. Это направление представляется многообещающим благодаря высокому быстродействию и низкому энергопотреблению фотонных устройств.

Другое направление – квантовая криптография, позволяющая создать линии связи, в которых всегда можно обнаружить «прослушивание». Она основана на том, что любое наблюдение за объектом есть воздействие на него. А воздействие на квантовый объект всегда меняет его состояние. Это означает, что попытка перехватить сообщение должна привести к разрушению спутанности, о чем сразу станет известно получателю.


Кроме того, квантовая запутанность позволяет реализовать так называемую квантовую телепортацию. Ее не надо путать с телепортацией (переносом в пространстве) предметов и людей из фантастических фильмов. В случае квантовой телепортации на расстояние передается не сам объект, а информация о его квантовом состоянии. Все дело в том, что все квантовые объекты (фотоны, элементарные частицы), а вместе с ними и атомы одного вида являются абсолютно одинаковыми. Поэтому, если атом в точке приема приобретает квантовое состояние, идентичное атому в точке передачи, то это эквивалентно созданию копии атома в точке приема. Если бы существовала возможность переноса квантового состояния всех атомов предмета, то в месте приема возникла бы его идеальная копия. С целью передачи информации можно телепортировать кубиты – наименьшие элементы для хранения информации в квантовом компьютере.

По материалам сайта МФТИ

Источник: www.nkj.ru

Как Алиса и Боб обвели Мэлори


В обычной системе связи Мэлори отводится роль «человека посередине». Он незаметно вклинивается в линию передачи, перехватывает сообщение от Алисы, читает его, при желании также изменяет и передает дальше Бобу. Наивный Боб ни о чем не подозревает. Поэтому Мэлори получает его ответ, проделывает с ним что угодно и отправляет Алисе. Так происходит компрометация всей переписки, телефонных переговоров и любого другого классического вида связи. С квантовой связью это невозможно в принципе. Почему?

Чтобы создать в ней криптографический ключ, Алиса и Боб сначала используют серию измерений на парах запутанных фотонов. Затем результаты этих измерений становятся ключом для шифрования и расшифровки сообщений, отправляемых по любому открытому каналу. Если Мэлори перехватит запутанные фотоны, он разрушит квантовую систему и оба собеседника немедленно узнают об этом. Мэлори физически не сможет повторно передать такие же фотоны, потому что это противоречит принципу квантовой механики, известному как «запрет на клонирование».

Так происходит потому, что свойства макро- и микромира кардинально отличаются. Любой макрообъект всегда существует во вполне определенном состоянии. Вот лист бумаги, он лежит. Вот его поместили в конверт и отправили авиапочтой. Мы можем измерить любой параметр бумажного сообщения в любой момент времени, и это никак не повлияет на его суть. Оно не изменит содержание от взвешивания, просвечивания рентгеном и не станет лететь быстрее в луче радара, которым мы измеряем скорость самолета.


Для элементарных частиц все не так. Они описываются как вероятностные состояния квантовой системы, а любое измерение переводит ее в строго определенное состояние, то есть изменяет. Само влияние измерения на результат плохо укладывается в привычное мировоззрение. Однако с практической точки зрения оно интересно тем, что состояние передаваемой квантовой системы нельзя узнать скрытно. Попытка перехватить и прочесть такое сообщение попросту разрушит его. Поэтому считается, что квантовая связь полностью исключает возможность MitM-атаки.

Для квантовой передачи данных теоретически подходят любые элементарные частицы. Раньше эксперименты проводились с электронами, протонами и даже ионами разных металлов. На практике же пока удобнее всего использовать фотоны. Их легко излучать и регистрировать. Уже есть готовые приборы, протоколы и целые оптоволоконные сети для традиционной передачи данных. Отличие квантовых систем связи состоит в том, что передавать в них надо пары предварительно запутанных фотонов.

Как не запутаться в двух фотонах

Запутанность элементарных частиц порождает жаркие споры вокруг принципа локальности — постулата о том, что во взаимодействиях участвуют только достаточно близкие друг к другу объекты. На этом принципе строятся все экспериментальные проверки в классической механике. Результат любого опыта в ней зависит только от непосредственно взаимодействующих тел и может быть точно рассчитан заранее. Количество наблюдателей тоже никак на него не повлияет. В случае с квантовой механикой такой определенности нет. Например, нельзя заранее сказать, какая будет поляризация у одного из запутанных фотонов.


Эйнштейн осторожно предположил, что вероятностный характер предсказаний квантовой механики объясняется наличием каких-то скрытых параметров, то есть банальной неполнотой описания. Спустя тридцать лет Белл ответил созданием серии неравенств, теоретически способных подтвердить наличие скрытых параметров в экспериментах с квантовыми частицами путем анализа распределения вероятностей в серии опытов. Ален Аспе, а затем и другие экспериментаторы продемонстрировали нарушение неравенств Белла.

В 2003 году физик-теоретик из Иллинойского университета Тони Леггет обобщил накопленные данные и предложил вовсе отказаться от принципа локальности в любых рассуждениях о квантовых системах. Позже группа ученых из Цюрихского института теоретической физики и Института прикладной физики технического университета Дармштадта под руководством Роджера Кольбека пришла к выводу о том, что принцип Гейзенберга также некорректен для запутанных элементарных частиц.

Такое постоянное переосмысление квантовой механики происходит потому, что мы пытаемся мыслить привычными категориями в непривычном окружении. Запутанные состояния частиц и, в частности, фотонов — вовсе не мистическое свойство. Оно не нарушает, а дополняет известные законы физики. Просто пока сами физики не могут описать наблюдаемые эффекты в непротиворечивой теории.


Квантовая запутанность наблюдается в экспериментах с 1970-х годов. Разнесенные на любое расстояние пары предварительно запутанных частиц мгновенно (то есть быстрее скорости света) меняют свойства друг друга — отсюда и возник термин «телепортация». Например, стоит изменить поляризацию одного фотона, как парный ему тут же изменит свою. Чудо? Да, если не вспомнить, что изначально эти фотоны были единым целым, а после разделения их поляризация и другие свойства также оказались взаимосвязанными.

Наверняка ты помнишь про двуличность фотона: он взаимодействует как частица, а распространяется как волна. Для создания пары запутанных фотонов есть разные методики, одна из которых базируется на волновых свойствах. В ней генерируется один фотон с меньшей длиной волны (например, 512 нм), а затем он разделяется на два фотона с большей длиной волны (1024 нм). Длина волны (частота) таких фотонов одинакова, а все квантовые свойства пары описываются вероятностной моделью. «Изменить» же в микромире означает «измерить», и наоборот.

У фотона-частицы есть квантовые числа — например, спиральность (положительная или отрицательная). У фотона-волны есть поляризация — например, горизонтальная или вертикальная (либо левая и правая круговая — смотря какую плоскость и направление движения мы рассматриваем).


Какими эти свойства будут у каждого фотона из пары, заранее неизвестно (см. вероятностные принципы квантовой механики). Зато в случае запутанных фотонов мы можем утверждать, что они будут противоположными. Поэтому если изменить (измерить) характеристики одного фотона из пары, то они мгновенно станут определены у второго, даже если он находится за 100500 парсек. Важно понимать, что это не просто устранение неизвестности. Это именно изменение квантовых свойств частиц в результате перехода от вероятностного состояния к детерминированному.

Основная техническая трудность заключается не в том, чтобы создать запутанные пары фотонов. Практически любой источник света рождает их постоянно. Даже лампочка у тебя в комнате излучает запутанные фотоны миллионами. Однако ее трудно назвать квантовым прибором, поскольку в таком хаосе квантовая запутанность рожденных пар быстро исчезает, а бесчисленные взаимодействия мешают эффективно передавать информацию.

В экспериментах с квантовой запутанностью фотонов обычно используют свойства нелинейной оптики. Например, если на ограненный определенным образом кусочек ниобата лития или другой нелинейный кристалл посветить лазером, то возникнут пары фотонов со взаимно ортогональной (то есть горизонтальной и вертикальной) поляризацией. Один (сверх)короткий импульс лазера — строго одна пара фотонов. Вот где магия!

Использовать квантовую телепортацию для передачи информации пока слишком сложно, но прогресс в этой области движется стремительно.
рвый успешный опыт был зарегистрирован в 2003 году. Группа Цайлингера выполнила передачу квантовых состояний запутанных частиц, удаленных друг от друга на 600 м. В 2010 году группа Цзянь-Вэй Пана увеличила это расстояние до 13 км, а затем в 2012 году побила собственный рекорд, зафиксировав успешную квантовую телепортацию на расстоянии 97 км. В том же 2012 году Цайлингер взял реванш и увеличил расстояние до 143 км. Теперь совместными усилиями они совершили настоящий прорыв — выполнили передачу на 1203 км.

Комментируя эту работу, Цзянь-Вэй Пан отмечает, что специалистам из объединенной группы потребовалось почти 14 лет, чтобы достичь такого результата. Следующим шагом будет функционирование квантовой спутниковой связи в дневное время, что означает преодоление куда более мощной засветки от Солнца. Также планируется отправить спутники на более высокие орбиты, чтобы они оставались в зоне видимости продолжительное время. «Тогда это будет действительно полезная и радикальная система для надежных квантовых коммуникаций», — говорит Цзянь-Вэй Пан.

Источник: xakep.ru

Впечатлившись новостью о том, что китайцы уже телепортируют информацию сквозь морскую воду, «Мегабайт» решил, разобраться, действительно ли будущее за квантами? О том, зачем нужна квантовая связь, когда мы сможем телепортироваться и почему запутанные фотоны можно сравнить с носками, рассказывает Владимир Егоров, научный сотрудник лаборатории квантовой информатики Университета ИТМО.

— Что такое квантовая связь?
— Это способ обмена информацией с помощью квантовых объектов. С одной стороны, он похож на традиционные методы: есть отправитель, получатель и сообщение. С другой — отличается тем, что здесь используются носители квантовой информации — чаще всего это фотоны. Ученые применяют подход, основанный на свойствах квантовых частиц, которые не принимают значения только «1» или только «0». Узнать, какое значение приняла частица мы сможем только после ее регистрации и только с определенной вероятностью. Важно то, что на сегодняшний день привычную нам информацию с помощью квантовых линий связи передавать нельзя.

— Зачем изучать квантовую связь, если мы не можем с помощью нее передавать классическую информацию?
— Квантовая связь будет эффективна как минимум в двух областях. Первая область — безопасность. Здесь, как правило, говорят о квантовой криптографии и защите данных. Вторая область — квантовые вычисления — информация, которая передается между квантовыми компьютерами, позволит некоторые выделенные операции производить гораздо быстрее, чем обычные компьютеры, в сотни и тысячи раз.

— Чем квантовая криптография отличается от привычных методов защиты информации?
— Сейчас системы безопасности так или иначе основаны только на математике, то есть на каких-то функциях. Появление квантовых компьютеров вызовет угрозу для некоторых широко распространенных методов шифрования. Поэтому уже сейчас мы готовим ответ на несуществующую, но потенциально опасную проблему потери информации. Особенность квантовой криптографии заключается в том, что, если кто-то вторгается в канал связи, пользователи сразу это обнаруживают. Соответственно, нельзя незаметно осуществлять перехват данных.

— Говоря про квантовые связи и передачу данных, ученые часто упоминают телепортацию. Некоторые издания даже писали, что она в 2030 году, появится в России. Действительно эту технологию можно осуществить?
— Как это ни странно, квантовая телепортация уже появилась в мире. В 2017 году ученые из Научно-технического университета Китая продемонстрировали телепортацию фотона с Земли на спутник на расстояние до 1400 километров, а до них еще в Испании телепортировали фотоны на Канарских островах. Так что, что имели в виду журналисты, говоря, что телепортация появится в России к 2030 году, останется загадкой. В России эти исследования, безусловно, ведутся.

— Когда мы сможем телепортировать живые объекты?
— В ближайшее время телепортировать живые или микроскопические объекты, отличные от квантовых частиц, вряд ли удастся. Хотя вместо того чтобы долго добираться домой, я бы лучше вошел в телепорт на работе и вышел бы дома. Но надо сказать, что квантовые объекты не телепортируются. Атом или фотон не исчезает в одном месте и не появляется в другом. Телепортируется — а лучше сказать переносится — его состояние. Условно говоря, информация с одного квантового объекта переносится на другой, запутанный с первым, объект. Эта технология будет полезна в проведении вычислений, где с помощью квантовой телепортации информация будет передаваться с одного компьютера на другой.

— То есть в ближайшее время телепортироваться не придется. Что такое запутанность объектов?
— Запутанность, по сути дела, свойство, которое означает, что мы не можем рассматривать в отдельности два объекта, связанные между собой. То есть их свойства не равны сумме свойств двух объектов. Они по сути представляют двуединый объект, который описывается одной функцией. Если мы выполняем некую операцию над одним объектом, то это всегда сказывается и на втором. К примеру, до того, как вы надели носок на ногу, у вас они оба и левый, и правый, но как только вы надели левый, второй, где бы он ни лежал, сразу автоматически становится правым.

— В нашем университете, в корпусе на Биржевой линии, существует своя квантовая сеть. Что она дает нам, какие плюсы есть в ее изучении?
— Изначально стояла задача создать квантовую сеть в существующей инфраструктуре. Многие научные работы, показывающие рекордные скорости квантовой связи, до 1 Мбит, имеют место быть только в лабораторных условиях. Любые внешние воздействия на нее исключены. Мы же делаем сеть, на которую не влияет воздействие внешнего мира, будь то изменение температуры земли, где проложен кабель, вибрация от трамваев, скрутка проводов в серверной. Поэтому эксперименты, поставленные на Петербургской квантовой сети, были проведены для демонстрации принципа новой квантовой коммуникации уже действующей не в лаборатории, а в реальных условиях, и имеющей широкие перспективы для реализации в городском пространстве.

— Чем квантовая связь в таком случае полезна пользователям сети, городу и обществу в целом?
— Сами по себе квантовые компьютеры вряд ли появятся в домах рядовых пользователей интернета, но на каждом из нас будет сказываться результат их работы. В первую очередь они необходимы для создания стабильной инфраструктуры. К примеру, возможно существуют математические проблемы, которые относятся к логистике и которые имеют очень комплексный характер. Избавить город от пробок? Классические компьютеры это не посчитают, а в квантовых есть алгоритм, который сможет определить оптимальный путь. Что касается защищенной квантовой связи — это больше удел специалистов по сетевой безопасности, чтобы после начала распространения квантовых компьютеров информация была защищена. В этом плане они подобны воздуху: когда он есть, вы его не замечаете, но, если его не будет, вряд ли вы обрадуетесь.

— Если есть квантовая связь, значит есть и квантовый интернет? Когда он у меня появится?
— Под квантовым интернетом понимается объединение разных систем квантовой коммуникации. Очень часто этот термин используется учеными, что создает путаницу и люди думают, что у них заберут обычный оптический интернет и поставят квантовый. В ближайшем будущем вы вряд ли перейдете на новый вид интернета.

— Но в первый банк с квантовым шифрованием мне уж точно стоит нести все свои деньги?
— Если у вас есть такие деньги, которые стоит нести, то да!

Беседовал Дмитрий БУРЫНИН

Источник: zen.yandex.ru

В этом модуле вы узнаете:

• о роли и месте криптографии в современных телекоммуникационных системах;
• о главных уязвимостях сетей передачи данных;
• о квантовых методах, которые могут защитить от прослушивания;
• о принципах работы и устройстве квантовой связи и квантовых сетей.


Квантовые коммуникации (или квантовая криптография) — технология кодирования и передачи данных в квантовых состояниях фотонов. Законы физики не позволяют измерить квантовое состояние так, чтобы оно не изменилось, поэтому квантовый канал связи невозможно прослушать незаметно для адресатов.

Квантовые коммуникации и квантовые сети сегодня активно развиваются во всем мире, они востребованы банками, государственными организациями и военными.

Зачем нужна «обычная» криптография

Защита данных от посторонних глаз стала будничным делом почти для каждого человека, пользующегося электронной почтой, мессенджерами, банковскими приложениями или просто посещающего сайты в интернете.

Отправляя сообщение, заходя в приложение или открывая страницу в сети, мы передаем свою информацию, и ее нужно защитить от несанкционированного доступа. Для этого есть множество методов шифрования данных.

Хотя для нас, пользователей, они незаметны, представить без них нормальную жизнь и работу уже нельзя.

Шифрование обычно происходит так: исходный текст по определенным правилам преобразуется, чтобы его невозможно было прочесть и понять, а затем тот, кому он предназначен, проделывает обратную операцию — расшифровывает его.

Роль инструкции для шифрования и дешифровки играет шифровальный ключ. Чем длиннее ключ, тем сложнее «взлом» шифра, а если длина ключа сопоставима с длиной зашифрованного текста, то его дешифровка без знания ключа может быть просто невозможной.

Однако если ключ попадет в чужие руки, шифрование становится бессмысленным. Чтобы обеспечить безопасную передачу ключа, его можно отправить с доверенным курьером или по какому-то каналу, заведомо защищенному от прослушивания.

Но когда шифруется едва ли не вся информация в сети, создавать специальные каналы для ключей нецелесообразно. Особенно учитывая, что ключи для шифрования нужно постоянно менять. Поэтому и шифровальные ключи, и сами зашифрованные сообщения передаются по одним и тем же каналам.

Разумеется, ключи нельзя сообщать открытым текстом — либо они шифруются в соответствии со специальными алгоритмами, либо используются асимметричные криптографические алгоритмы с открытым и закрытым ключом.

И в том и в другом случае желающим сохранить в секрете свои данные остается полагаться только на то, что дешифровка сообщения без знания ключей требует слишком большой вычислительной мощности и слишком большого времени (в некоторых случаях речь идет о паре тысяч лет).

Один из самых распространенных методов защиты информации — использование криптографии с открытым ключом. Он основан на использовании односторонних функций, то есть таких, где x из известного y невозможно вычислить за разумный срок, в то время как вычисление y из x не представляет никаких сложностей.

Таким асимметричным действием может быть обычное умножение: если сложность операции умножения растет по мере увеличения множителей не слишком быстро и современные вычислительные машины легко перемножают даже очень большие числа, то обратная операция — разложение на множители, факторизация — для достаточно больших чисел может оказаться не по плечу даже самым мощным суперкомпьютерам.

Другой пример — хэш-функции, используемые для «опознавания» паролей. Из пароля пользователя по специальному алгоритму вычисляется символьная строка — «хэш», которая и хранится на сервере.

Каждый раз, когда пользователь пытается зайти на сервер (например, электронной почты), вводит пароль, программа вычисляет хэш и сравнивает его с тем, что хранится на сервере. При ошибке в пароле даже на один символ хэш изменится и в доступе будет отказано.

Заметьте, на сервере сам пароль не хранится и по сетям не передается, поэтому даже если вас будут «подслушивать», взломать вашу почту злоумышленник не сможет.

На такого рода асимметричных функциях основана криптография с открытым ключом, в частности алгоритмы RSA, PGP и многие другие. Однако их защита все же не абсолютна — в конечном счете даже очень сложные функции теоретически можно вычислить. Возможно, в скором будущем появятся квантовые компьютеры, которые смогут сделать это относительно легко.

Один из вариантов решения этой проблемы — защитить сам процесс передачи ключей, чтобы прослушивание было невозможно и посторонний, даже подключившись к вашей линии, не смог прочесть ваши данные. И здесь нам может помочь квантовая физика.

Как была изобретена квантовая криптография

В конце 1960-х годов студент университета Колумбии Стивен Визнер поделился со своим приятелем Чарльзом Беннетом идеей, как сделать банкноты, абсолютно защищенные от подделки, — квантовые деньги.

Для этого на каждую банкноту следовало поместить ловушку для фотонов, причем каждый фотон должен быть поляризован в одном из двух базисов: либо под углом 0 и 90, либо 45 и 135 градусов. Комбинацию поляризаций и базисов, соответствующую серийному номеру банкноты, знает только банк.

Если злоумышленник попытается воспроизвести банкноту, он должен будет измерить поляризацию каждого фотона. Поскольку он не знает, в каких базисах нужно измерять поляризацию, то он не сможет получить верные данные о состояниях фотонов, и его затея провалится.

Идею Визнера использовать квантовые методы для защиты информации долго не признавали. Первую статью он отправил в журнал IEEE Transactions on Information Theory еще в начале 1970-х годов, но редакторы ее отвергли.

Статья была опубликована только в 1983 году в журнале ACM Newsletter Sigact News. А в 1984 году Чарльз Беннет и Жиль Брассар придумали первый квантовый протокол передачи данных — BB84.

Первый реальный эксперимент по квантовой передаче данных они провели в 1989 году — квантовая связь была установлена на дистанции 32,5 сантиметра. Прибор менял поляризацию передаваемых фотонов, но при этом шумел по-разному в зависимости от поляризации.

«Наш прототип был защищен от любого подслушивающего, который был бы глухим», — писал Брассар. Тогда до появления первой коммерческой компании, которая вывела на рынок системы квантового распределения ключей, оставалось более 10 лет — первой это сделала американская компания MagiQ Technologies в 2003 году.

А еще через четыре года, в 2007-м, система квантовой защищенной связи, разработанная компанией Id Quantique, впервые использовалась для защиты данных о результатах голосования на парламентских выборах в швейцарском кантоне Женева.

Принципы квантового распределения ключей

Представьте, что вы отправляете письмо, написанное на бумаге, цвет которой необратимо меняется, если вскрыть конверт (например, это может быть фотобумага, чувствительная к свету). Тогда ваш адресат по цвету бумаги сможет понять, читал ли кто-то письмо до него.

Точно так же устроена и квантовая криптография: данные кодируются в состояниях фотона, которые в соответствии с законами квантовой механики необратимо меняются при попытке измерения.

В теории для квантовой связи можно использовать любые объекты, способные находиться в двух разных квантовых состояниях, иначе говоря, любые кубиты — например, электроны, ионы и так далее. Однако из-за широкого распространения волоконно-оптических сетей фотоны остаются практически безальтернативным вариантом для квантовой криптографии.

В обычных волоконных линиях информация кодируется в импульсах излучения лазера, например в двухуровневой форме (есть сигнал — 1, нет сигнала — 0).

Для квантовой связи данные кодируются в состояниях одиночных фотонов — например, в поляризации или фазе. Так, одному варианту поляризации приписывается значение 1, противоположному — 0.

Два главных участника квантовой беседы традиционно обозначаются как Алиса (отправитель сообщения) и Боб (получатель), иногда к этим героям присоединяется третий — Ева, которая пытается подслушать разговор. Когда Ева измеряет фотоны, их состояния меняются, и Боб понимает, что линия связи скомпрометирована.

Однако в реальных сетях квантовая коммуникация устроена несколько иначе: ключи не формируются в процессе «общения» двух собеседников, Алисы и Боба, а распределяются по всем участникам сети из одной точки, поэтому технология и называется «квантовое распределение ключей».

Квантовые протоколы передачи данных

Протоколы квантового распределения ключа описывают механизм работы квантовой связи. Первым из них был протокол BB84, который и сегодня активно используется во многих коммерческих системах. Работает он так.

Для передачи информации используются поляризованные фотоны. Алиса поляризует фотоны в двух разных базисах — под углом 0 и 90 градусов, либо 45 и 135 градусов, причем базисы она выбирает каждый раз случайным образом. Затем Боб получает фотоны и измеряет их состояния, тоже выбирая базисы случайно.

После этого Алиса по открытому каналу сообщает Бобу набор использованных базисов, Боб отбрасывает несовпавшие базисы («просеивает» ключ) и говорит Алисе, какие данные не прошли. При этом сами результаты измерений по открытому каналу не передаются.

Несмотря на это, у Алисы и Боба оказывается ключ — одинаковая последовательность нулей и единиц. Если Ева захочет перехватить данные, она должна будет измерять поляризацию фотонов. Она не знает базиса, поэтому, если не угадает правильно, не получит верных данных.

Кроме того, само измерение изменит поляризацию, и ошибки обнаружат и Алиса, и Боб (в этом случае они просто «сбросят» испорченную часть данных, и Ева останется ни с чем).

В случае протокола BB84 допустимый уровень ошибок, вызванных разными причинами, — 11 процентов, если он выше, то считается, что канал прослушивается.

Этот протокол в модернизированном виде может обеспечивать скорость передачи 2,38 мегабит в секунду на дистанции 25 километров, и 52 килобита в секунду — на дистанции 70 километров.

Аналогом протокола BB84, в котором для передачи данных используется не поляризация, а фаза фотонов, является протокол B92, предложенный Беннетом в 1992 году. Одно из его преимуществ — увеличенная скорость генерации квантовых битов по сравнению с BB84.

Более современные протоколы DPS и COW позволяют обеспечить бóльшую дальность передачи — до 250 и даже 300 километров. Однако для этих двух протоколов еще нет строгого доказательства защищенности.

В протоколе E91 используется явление квантовой запутанности. Суть его в том, что Алиса и Боб получают квантово запутанные пары фотонов и при измерении получают связанные значения. Однако этот протокол пока считается экзотикой, так как создание запутанных пар фотонов — сложная и ресурсоемкая задача.

Недостатки и уязвимости квантовых коммуникаций

Главные недостатки квантовой криптографии — продолжение ее достоинств. Кодировать данные в квантовых состояниях достаточно сложно, поскольку для этого необходимо уметь генерировать и детектировать одиночные фотоны, что само по себе непростая технологическая задача.

Кроме того, квантовые состояния уязвимы и могут разрушаться под действием тепловых шумов и других помех. Наконец, реальные квантовые устройства, в отличие от идеальных, могут быть уязвимы для некоторых типов атак.

Разберем недостатки квантовой криптографии по порядку.

Ограничения скорости и дальности передачи данных

Потери в оптоволоконных кабелях растут экспоненциально с увеличением его длины. Для обычных систем связи это вполне решаемая технологическая проблема. Для этого созданы разного типа повторители и маршрутизаторы, которые обновляют и усиливают сигнал. Благодаря этому современные телекоммуникационные сети смогли охватить весь мир.

Но для сетей квантовой связи необходимо, чтобы наш получатель Боб получил именно тот фотон, который отправила Алиса. Не существует способа восстановить его состояние, если оно изменилось в сети при передаче. Для этого пришлось бы измерить состояние фотона, а это равнозначно действиям шпиона Евы.

Поэтому квантовая связь сегодня возможна только на ограниченных расстояниях. Лучшие лабораторные образцы квантовых систем едва преодолели порог дальности 400 километров, при этом они обеспечивают крайне низкую по современным стандартам скорость — около 1 бита в секунду.

Поэтому существующие квантовые сети в основном обеспечивают защищенную связь на расстояниях в десятки километров. Их используют, например, для передачи данных между офисами банков в пределах крупного города.

Несколько научных групп сейчас работают над разработкой квантовых повторителей, которые могли бы «усиливать» квантовый сигнал, но пока эти исследования не вышли из стадии экспериментов.

Решением проблемы может быть создание квантовых сетей из «отрезков», связанных между собой специальными «доверенными» узлами, способными принимать, читать и передавать дальше квантовые данные. Именно так организована крупнейшая на сегодня квантовая сеть, связывающая Пекин и Шанхай.

Второй вариант — использование космических технологий: потери фотонов в атмосфере и космосе относительно невелики по сравнению с поглощением в оптоволокне, поэтому спутник-ретранслятор может обеспечить квантовую связь на дистанции в тысячи километров.

Впервые космическую квантовую связь на практике продемонстрировали китайские и австрийские ученые. В 2017 году китайский спутник «Мо-Цзы» обеспечил распределение запутанных фотонов на рекордное расстояние — свыше 1200 километров, а позже с его помощью была организована квантовая линия между Веной и Пекином.

Детекторы и источники одиночных фотонов

Развитие квантовой связи сдерживает отсутствие дешевых и эффективных источников и приемников одиночных фотонов. При их создании разработчикам приходится искать компромисс между быстродействием устройств, равномерностью свойств излучения и «чистотой» квантовых состояний.

Например, лучшие детекторы фотонов, обладающие низким уровнем темновых отсчетов (срабатываний в отсутствие фотонов) и высокой скоростью счета (до 1 гигагерца) основаны на сверхпроводниковых технологиях и требуют криогенных температур — до 2 кельвин (-271 градус Цельсия), что неудобно при эксплуатации вне лабораторий и сильно увеличивает стоимость устройств.

Квантовый взлом

Теоретически квантовые устройства должны обеспечивать абсолютную защиту для передаваемых данных. Однако реальные системы имеют уязвимости.

Например, недавно был продемонстрирован «взлом» коммерческой системы квантовой связи фирмы ID Quantique с помощью ослепления детектора фотонов сильными лазерными импульсами.

Уязвимость была ликвидирована, но эксперимент показал, что квантовая криптография может быть взломана. На сегодняшний день известны методы атак на фотодетекторы, модуляторы, источники фотонов и другие компоненты квантовых устройств.

Квантовые системы на рынке

На рынке систем квантовой коммуникации сегодня доминируют три компании: китайские Qasky и QuantumCTek, а также швейцарская ID Quantique.

Они производят как отдельные компоненты устройств (источники и приемники одиночных фотонов, генераторы случайных чисел), так и целиком комплексы для квантовой криптографии.

Компания ID Quantique является лидером этого рынка и предлагает два типа систем квантовой криптографии: на основе двунаправленной схемы (plug and play) и когерентной однопроходной на базе протокола COW (его безопасность пока не доказана).

Эти устройства рассчитаны на работу на городских волоконно-оптических сетях и дают возможность генерации квантовых ключей на расстояниях до 70 километров.

Компания Qasky занимается разработкой решений для государственных и силовых структур, поэтому ее продукции нет на открытом рынке.

Компания QuantumCTek в 2018 году представила линейку устройств для городских сетей: системы генерации ключей, совместимые коммутаторы, устройства для телефонии.

Главными клиентами производителей систем квантовой криптографии являются в основном банки и финансовый сектор, государственные и силовые структуры, центры обработки данных.

Объем рынка квантовой криптографии в 2018 году оценивался в 101 миллион долларов, в 2023 году, как ожидается, он вырастет до 506 миллионов долларов.

Особенно быстро квантовые сети развиваются в Китае. Квантовое оборудование установлено в крупнейших банках Китая и других финансовых компаниях, сервисных компаниях в области безопасности.

На основе оборудования компании QuantumCTek в Китае создана квантовая сеть суммарной протяженностью 6000 километров. А продукция компании ID Quantique эксплуатируется пятеркой крупнейших банков Швейцарии.

Совместно с компанией Battelle швейцарская компания также участвует в строительстве магистральных сетей в США. Информация об объемах ее продаж публично не представлена. Капитализация компании в настоящий момент составляет около 150 миллионов долларов.

Узнайте, насколько хорошо вы усвоили материалы модуля.

Источник: nplus1.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.