Основы квантовой криптографии

Квантовое распределение ключей

Впервые квантовая криптография была предложена Стивеном Визнером. В Колумбийском университете в начале 1970-х ввели понятие квантового сопряженного кодирования. Его основополагающая статья была отклонена журналом IEEE Information Theory, так как изложенные в ней предположения казались фантастическими, а не научными. Однако в 1983 году его работа «Conjugate coding» была опубликована в Sigact News и получила высокую оценку в научных кругах.

Квантовое распределение ключей — метод передачи ключа, который использует квантовые явления для гарантии безопасной связи. Этот метод позволяет двум сторонам, соединенным по открытому каналу связи, создать общий случайный ключ, который известен только им, и использовать его для шифрования и расшифровывания сообщений.

Важным и уникальным свойством квантового распределения ключей является возможность обнаружить присутствие третьей стороны, пытающейся получить информацию о ключе. Здесь используется фундаментальный аспект квантовой механики: процесс измерения квантовой системы нарушает её. Третья сторона, пытающаяся получить ключ, должна измерить передаваемые по каналу связи квантовые состояния, что ведет к их изменению и появлению аномалии. С помощью квантовой суперпозиции, квантовой запутанности и передачи данных в квантовых состояниях можно осуществить канал связи, который обнаруживает аномалии. Если количество аномалий ниже определённого порога, то ключ будет создан, что гарантирует безопасность (третья сторона не имеет информации об этом), иначе секретный ключ не будет создан и связь прекращается.

Квантовые протоколы передачи данных

Нидерландские ученые разработали первый в мире протокол для так называемого квантового интернета, работающего без помех и максимально защищенного от взлома. Идея принадлежит специалистам исследовательского центра QuTech.

Протокол, работающий на канальном уровне, разработан группой ученых под руководством профессора Стефани Вейнер (Stephanie Wehner). Также они проработали общую концепцию квантовых сетей, которые в будущем, по их мнению, могут заменить собой традиционный интернет и локальные сети.

В основе идеи специалистов QuTech лежит принцип очень быстрой обработки кубитов, поскольку они не могут находиться в памяти длительное время. Это обеспечит высокую скорость передачи информации, а явление квантовой запутанности, еще одна основа протокола, даст возможность максимально защитить передаваемые данные.

Явление квантовой запутанности подразумевает взаимозависимость двух и более объектов, в данном случае кубитов, и их неразрывную связь друг с другом. Попытка перехвата данных приведет к изменению квантового состояния одного или нескольких кубитов и, как следствие, к потере передаваемой информации. Другими словами, информацию может получить исключительно целевое устройство – несанкционированный доступ к ней исключен.

Практические квантовые коммуникации

Квантовые коммуникации (QC) — это область знаний о передаче неизвестного квантового состояния из одного местоположения (скажем, от Алисы) в другое, удаленное от первого местоположение (скажем, Бобу).

Квантовая сеть — коммуникационная сеть, защищающая передаваемые данные с использованием фундаментальных законов квантовой механики, является практической реализацией так называемой квантовой криптографии. Квантовые сети формируют важный элемент квантовых вычислений и квантовых систем криптографии. Они допускают транспортировку квантовой информации между физически разделенными квантовыми системами. В распределенных квантовых вычислениях сетевые узлы в сети могут обрабатывать информацию, выполняя функцию квантовых вентилей. Безопасная передача данных может быть реализована с помощью алгоритмов квантового распределения ключей.

Перспективы квантовой криптографии

Сейчас одним из самых важных достижений в области квантовой криптографии является то, что ученые смогли показать возможность передачи данных по квантовому каналу со скоростью до единиц Мбит/с. Это стало возможно благодаря технологии разделения каналов связи по длинам волн и их единовременного использования в общей среде. Что кстати позволяет одновременное использование как открытого, так и закрытого канала связи. Сейчас в одном оптическом волокне возможно создать около 50 каналов. Экспериментальные данные позволяют сделать прогноз на достижение лучших параметров в будущем:

— достижение скорости передачи данных по квантовому каналу связи в 50 Мбит/с, при этом единовременные ошибки не должны будут превышать 4%;

— создание квантового канала связи длиной более 100 км;

— организация десятков подканалов при разделении по длинам волн.

На данном этапе квантовая криптография только приближается к практическому уровню использования. Диапазон разработчиков новых технологий квантовой криптографии охватывает не только крупнейшие мировые институты, но и маленькие компании, только начинающие свою деятельность. И все они уже способны вывести свои проекты из лабораторий на рынок. Все это позволяет сказать, что рынок находится на начальной стадии формирования, когда в нём могут быть на равных представлены и те, и другие.