Квантовая криптография -- это сравнительно новое направление исследований, позволяющее применять эффекты квантовой физики для создания секретных каналов передачи данных . С чисто формальной точки зрения данное направление нельзя назвать разделом криптографии, скорее, оно должно быть отнесено к техническим методам защиты информации, так как в квантовой криптографии в основном используются свойства материальных носителей информации. Указанный факт находит свое подтверждение еще и в том, что основной прогресс в данной области достигается инженерами-физиками, а не математиками и криптографами. Тем не менее термин «квантовая криптография» вполне устоялся и используется наряду с более корректным аналогом -- «квантовая коммуникация».
В квантовой криптографии используется фундаментальная особенность квантовых систем, заключающаяся в принципиальной невозможности точного детектирования состояния такой системы, принимающей одно из набора нескольких неортогональных состояний. Это вытекает из факта, что достоверно различить подобные состояния за одно измерение не получается. Например, нельзя определить длину отрезка в пространстве только по его проекции на одну ось, а более одного измерения сделать невозможно, потому что после первого же измерения система непредсказуемым образом изменяет свое состояние. Кроме того, в квантовой механике справедлива теорема о запрете точного клонирования систем, что делает невозможным изготовление нескольких копий исследуемой системы и последующее их тестирование.
Для начала рассмотрим работу идеального квантового канала , принцип действия которого предполагает, что приемно-передающая аппаратура и каналы связи идеальны. В качестве носителей информации в квантовой криптографии, как правило, используются отдельные фотоны, или связанные фотонные пары. Значения 0 и 1 битов информации кодируются различными направлениями поляризации фотонов. Для передачи сигнала отправитель случайным образом выбирает один из двух или в некоторых схемах из трех взаимно неортогональных базисов. При этом однозначно правильное детектирование сигнала возможно, если только получатель правильно угадал базис, в котором отправитель подготовил сигнал. В случае, если базис угадан неверно, исход измерения не определен. На рис. 3 показано, что получатель пытается детектировать сигнал 10 (квант, поляризованный вдоль оси Y0) в неверном базисе 1 (оси X1, Y1, повернуты на 45°), в итоге он может получить с равной вероятностью как 0, так и 1, то есть результат измерения полностью недостоверен.
Рис. 3.
Поскольку отправитель выбирает базис случайным образом, получатель неизбежно будет ошибаться в выборе базиса детектирования, и часть измерений окажется неверной. Затем получатель и отправитель проводят обсуждение исходов передачи по аутентичному, но, возможно, несекретному каналу связи. Что именно при этом передается зависит от использованного квантового протокола, но в любом случае указанная информация позволяет корреспондентам исключить случаи, когда получатель неверно угадал базис, и не дает противнику никаких сведений относительно правильно переданных данных.
Если противник попытается подслушать информацию, передаваемую через квантовый канал, то он, так же как и получатель, будет неизбежно ошибаться в выборе базиса. Поскольку квант, несущий информацию, при детектировании разрушается, противник испускает новый квант, поляризованный тем или иным образом в использованном им базисе. В определенных случаях этот базис не будет совпадать с тем, который использовался отправителем, что приведет к искажению данных. Наличие искажений будет обнаружено в ходе сверки корреспондентами выработанного общего отрезка данных, и это будет означать попытку прослушивания.
Таким образом, системы квантовой криптографии обладают рядом принципиальных особенностей. Во-первых, нельзя заранее сказать, какой из передаваемых битов будет корректно принят получателем, так как этот процесс носит вероятностный характер. Во-вторых, существенной особенностью системы является использование низкоэнергетических импульсов, в идеале состоящих из одного фотона, что сильно снижает скорость передачи по тому же каналу в сравнении с обычным уровнем оптических сигналов. В силу указанных причин квантовый канал связи малопригоден для передачи пользовательских данных, а больше подходит для выработки ключа симметричного шифра, который будет использован корреспондентами для зашифрования передаваемых данных. В этом отношении он подобен асимметричному шифрованию или схемам открытого распределения ключей.
Одним и, наверное, единственным практическим успехом квантовой информатики на сегодняшний день стало появление квантовой криптографии. В настоящий момент существуют и коммерчески доступны устройства квантовой криптографии, созданные на описанных ниже принципах.
Задача криптографии заключается в защите от прослушивания сообщения при передаче его по незащищенному каналу. Решение заключается в том, что нужно предварительно обменяться секретными данными - ключом - и использовать его для передачи сообщения, применяя шифрование . Доказано, что такой подход может обеспечить абсолютную надежность при условии, что размер ключа не меньше размера самого передаваемого сообщения. Неудобство такого подхода очевидно, поэтому на практике применяется компромиссный метод, в котором ключ существенно меньше сообщения, но характер используемых криптопреобразований таков, что не существует алгоритма, позволяющего за приемлемое для взломщика время восстановить исходное сообщение из подслушанных им данных.
Пространство квантовых состояний
Квантовая система, находящаяся в состоянии А, изображается:
В случае, если состояние A = 0, то кет-вектор обозначают как и говорят, что в данном случае квантовая система не существует.
Представление системы в виде волновой функции эквивалентно представлению в виде вектора состояния , то есть:
Множество кет-векторов образует комплексное векторное пространство (определено умножение векторов на комплексные числа).
Следовательно, для любого комплексного числа α верно следующее утверждение:
Произвольный вектор пространства может быть представлен как линейная комбинация базисных векторов:
Суперпозиция квантовых состояний
Пусть и - представления произвольной квантовой системы в виде волновых функций , тогда суперпозицией данных функций называется такая волновая функция , что:
Для кет-векторов:
Пусть и - представления произвольной квантовой системы в виде кет-векторов, тогда суперпозицией данных векторов называется такой кет-вектор , что:
Сопряженное пространство
Каждому кет-вектору сопоставим сопряженный ему бра-вектор
Причем, если , то 
Множество бра-векторов образует сопряженное пространство состояний. Сопряженные пространства эквивалентны друг другу.
Скалярное произведение
Каждой паре векторов и по некоторому правилу сопоставим комплексное число - скалярное произведение
Если состояния изображаются волновыми функциями, то
Два вектора ортогональны, если 
В N-мерном прос-ве любая совокупность из N взаимно ортогональных векторов составляет линейно независимую систему и может использоваться в качестве (ортогонального) базиса. Такой базис называется ортонормированным, если нормирован каждый из базисных векторов. Набор векторов называют ортонормированным, если все вектора в нем единиичные и любые два различных вектора ортогональны, то есть для всех индексов i и j, причем
Различение квантовых состояний
Различимость квантовых состояний проще всего понять на примере игры с двумя участниками - Алисой и Бобом. Алиса выбирает состояние из некоторого фиксированного набора состояний, известного обоим участникам. Она передает состояние Бобу, цель которого - определить индекс i этого состояния.
Предположим, что состояния образуют ортонормированный набор. Тогда Боб может различить эти состояния с помощью квантового измерения, операторы которого задаются следующим образом: 
- по одному на каждый индекс i, плюс, дополнительный оператор измерения M0, равный квадратному корню из неотрицательного определенного оператора I:
Эти операторы удовлетворяют условию полноты , и если приготовлено состояние , то , то есть результат i получается с вероятностью 100%. Следовательно, можно с уверенностью утверждать, что можно различить ортонормированные состояния
Напротив, если состояния не образуют ортонормированного набора, то можно доказать, что не существует квантового измерения, различающего эти состояния. Идея заключается в том, что Боб будет делать измерение, описываемое операторами Mj, дающими результаты j. В зависимости от результата измерения Боб пыатется угадать, какому индексу i соответствовало исходное состояние. Для этого он использует некоторое правило (функцию i = f(j)). Причина, по которой Боб не может различить неортогональные состояния и состоит в следующем: раскладывается в сумму компоненты, параллельной вектору , и компоненты, ортогональной вектору . Пусть j - такой результат измерения, что f(j) = 1, то есть Боб определяет, что сначала система была в состоянии , если он получает в качестве результата j. Но поскольку у вектора есть составляющая, параллельная вектору , существует ненулевая вероятность того, что результат j был получен и в том случае, когда исходным было состояние .
Принципы безопасности квантового распределения ключа
Принцип неопределенности Гейзенберга
Безопасность основана на том, что если злоумышленник будет использовать несовпадающий базис, то состояние будет изменено.
Принцип обнаружения подслушивающего
Утверждение: при попытке различить два неортогональных квантовых состояния извлечение информации сопровождается возмущением сигнала.
Пусть и - неортогональные квантовые состояния, о которых Ева пытается получить информацию. Тогда процесс, который Ева использует для получения, представляет собой унитарное взаимодействие состояния или с вспомогательной системой, приготовленной в стандартном состоянии . Допуская, что этот процесс не нарушает ни одно из состояний получаем
Для Евы желательно, чтобы и были различными, с тем, чтобы она могла получить информацию о состоянии.
Однако, поскольку скалярные произведения сохраняются при унитарных преобразованиях, должны выполняться следующие равенства
откуда следует, что и должны совпадать. Таким образом, установление различия между и должно неизбежно нарушить, по меньшей мере, одно из этих состояний. Итак, проверяя переданные данные состояния на предмет нарушения, Алиса и Боб получают верхнюю оценку любого шума и подслушивания, которые имеют место в их канале связи.
Теорема о невозможности клонирования квантовых состояний
Предположим, что у нас есть квантовая машина с двумя слотами,
обозначенными как А и Б. Слот А, слот данных, вначале находится в неизвестном, но чистом квантовом состоянии . Это то самое состояние, которое должно быть скопировано в слот Б, целевой слот.
Предположим, что целевой слот изначально находится в некотором стандартном чистом состоянии . Следовательно, начальное состояние копирующего устройства имеет вид
Некоторое унитарное преобразование U производит процедуру копирования, которая в идеальном виде выглядит так:
Пусть данная процедура копирования выполняется для двух чистых состояний и . Тогда имеем,
Взяв скалярное произведение этих двух уравнений получим:
Но такое уравнение имеет только два решения: 0 и 1, поэтому либо = , либо и ортогональны. Следовательно, устройство копирования может копировать только те состояния, которые ортогональны друг другу и поэтому универсальное квантовое устройство копирования невозможно.
Потенциальное квантовое устройство копирования не может, например, копировать кубитовые состояния = и , поскольку эти состояния не ортогональны.
Принцип кодирования для протокола BB-84
Алиса начинает с двух строк a и b, каждая из которых содержит 
случайных классических битов. Затем она кодирует эти строки блоком кубитов по формуле:
где ak - k-тый бит a (и так же для b), а состояния задаются как
Полученные состояния отправляются Бобу. Боб измеряет принимаемые фотоны в одном из двух базисов, выбираемых независимо от Алисы, затем изменяет каждый кубит в базисе случайным образом. Для каждого переданного состояния Боб открыто сообщает в каком базисе проводилось измерение кубита . Алиса открыто вообщает в каких случаях ее базис совпал с базисом Боба. Если базисы совпали - бит оставляют. Если нет - игнорируют. В таком случае ключ прорежается примерно на 50%. Такой ключ называется "просеянным". В итоге Боб и Алиса имеют (при условии отсутствия подслушивания и шумов в канале связи) полностью коррелироавнную строку случайных битов.
В случае, если имело место прослушивание, по величине ошибки в канале связи Алиса и Боб могут оценить максимальное количество информации, доступное Еве. Считается, что в случае, если ошибка в канале не превышает 11%, то информация, доступная Еве, заведомо не превосходит взаимной информации между Алисой и Бобом, следовательно, передача данных возможна.
Важно отметить, что канал связи между Алисой и Бобом не должен быть конфиденциальным, но обязан быть аутентифицированным. То есть любой злоумышленник может получать из него информацию, но не может изменять её.
Квантовая криптография в применении к классической криптографии
Алгоритм Шора
Выберем q - степень двойки между и 2.
Предположим, что r|q (простой случай). Тогда применим операцию Уолша-Адамара к первому регистру Получем:
Вычислим mod n (тоже за логарифм):
Пронаблюдаем второй регистр, получим mod n для случайного s < r, а в первом - суперпозиция s, r+s, 2r+s, ..., q-r+s:
Снова применим операцию Уолша-Адамара:
Сумма в скобках не равна нулю в случае, если частное rb и q - целое число, то есть ненулевая амплитуда будет только у чисел, делящихся на q/r.
Пронаблюдав первый регистр получим случайное число вида cq/r. То есть с большой вероятностью (а точнее - порядка 1/(loglog(q)) c и r взаимно просты. Сократив получившуюся дробь получаем r.
Сложный случай: r |/q На последнем шаге все равно будет дробь типа b/q, но:
На интервале длины 1/q < 1/ будет не больше одной дроби со знаменателем меньше n. Эта дробь должна быть c/r.
Этот же алгоритм подойдет и для дискретного логарифма, ведь на самом деле ищется период элемента x некоторой коммутативной группы.
Если даны G =
Следовательно, алгоритм Шора применим ко всем коммутативной криптографии.
Алгоритм Гровера
Пусть дана булева функция . Цель: найти хотя бы один корень уравнения f(x) = 1. На классическом компьютере, если f - произвольна нам понадобится O(N) операций, где , то есть, полный перебор. Если f в конъюнктивой нормальной форме - то данная задача является NP-полной.
К сожалению, или к счастью, не известен квантовый(а классический тем более) для решения данной задачи за полиномиальное время. Но алгоритм Гровера позволяет получить квадратичное ускорение для полного перебора - за .
Описание алгоритма:
Используя n+1 кубит, мы приготавливаем первые n кубитов в суперпозицию всех возможных состояний, а последний в суперпозицию «нуля» и «единицы», но со «знаком минус» у «единицы». Тогда действуя раз оператором поворота, мы получаем состояние, при измерении которого с очень высокой вероятностью получаем решение уравнения.
Применение алгоритма:
Гроверовский «подскок амплитуды» является, по-видимому, фундаментальным физическим феноменом в квантовой теории многих тел. Например, его учет необходим для оценки вероятностей событий, которые кажутся «редкими». Процесс, реализующий схему GSA, приводит к взрывному росту первоначально пренебрежимо малой амплитуды, что способно быстро довести ее до реально наблюдаемых величин.
Алгоритм Гровера также может быть использован для нахождения медианы и среднего арифметического числового ряда. Кроме того, он может применяться для решения NP-полных задач путем исчерпывающего поиска среди множества возможных решений. Это может повлечь значительный прирост скорости по сравнению с классическими алгоритмами, хотя и не предоставляя «полиномиального решения» в общем виде.
Строго доказано, что время работы алгоритма Гровера для поиска информации в неупорядоченной базе данных равно корню квадратному от того времени, что необходимо для аналогичного поиска компьютеру классическому. Но, более того, квадратный корень – это вообще наилучший результат, который может быть теоретически достигнут.
Квантовые компьютеры
История развития квантовых компьютеров
Исследователям из Массачусетского технологического института удалось впервые распределить один кубит между тремя ядерными спинами в каждой молекуле жидкого аланина или молекулы трихлороэтилена. Такое распределение позволило использовать «запутанность» для неразрушающего анализа квантовой информации.
В марте ученые из Национальной лаборатории в Лос Аламосе объявили о создании 7-кубитного квантового компьютера в одной единственной капле жидкости.
Демонстрация вычисления алгоритма Шора специалистами из IBM и Стэнфордского университета на 7-кубитном квантовом компьютере.
В институте квантовой оптики и квантовой информации при Иннсбрукском университете впервые удалось создать кубайт (сочетание 8 кубитов) с помощью ионных ловушек.
Канадская компания D-Wave продемонстрировала первый 16-кубитный квантовый компьютер, способный решать целый ряд задач и головоломок, типа судоку.
С 2011 года D-Wave предлагает за $11 млн долларов квантовый компьютер D-Wave One с 128-кубитным чипсетом, который выполняет только одну задачу – дискретную оптимизацию.
Современные квантовые компьютеры
MagicQ
Основана в 1999 году в США для целей армии США и флота, NASA, DARPA, JTRS. В 2004 году на основе устройств Magic QPN 8505 в DARPA была создана первая в мире сеть с использованием квантовых технологий.
Квантовый канал объединил три ВУЗа, принимавших участие в разработке.
id Quantique
Компьютеры D-Wave
Компания D-Wave представила компьютерную систему, построенную на основе принципиально нового вида процессора. Система называется D-Wave One.
Процессор D-Wave One (кодовое имя Rainier) разработан для выполнение одной единственной математической операции - дискретной оптимизации. Это процессор специального назначения. В процессе разработки приложений D-Wave One используется только в тех частях программы, которые непосредственно решают задачу оптимизации. Остальные части приложения работают на традиционных системах.
Rainer решает задачу оптимизации используя квантовый отжиг (quantum annealing, QA), который относится к классу методов, основанных на использовании квантовых эффекты для поиска оптимального решения в кратчайшее время. Так как D-Wave One является квантовым компьютером, многие склонны думать, что разработка приложений для такой системы может быть действительно сложным делом. Основная сложность возникает из за необходимости объединить знания из областей, которые обычно не пересекаются, таких как квантовая физика и машинное обучение.
Проблемы перехода на квантовые компьютеры
Стоимость
Канадская компания D-Wave выпустила в продажу «первый в мире доступный коммерческий квантовый компьютер». Его цена составила 10 миллионов долларов, сообщает техноблог Engadget. Этот компьютер в состоянии оперировать 129 кубитами. Считается, что для решения некоторых практических задач, такого количества простых квантовых ячеек памяти, которые связаны между собой в единую систему, может оказаться вполне достаточно.
Изучение находится на раннем этапе
Серия тестов показала, что квантовый компьютер D-Wave, описанный выше, не дает никакого выигрыша в скорости по сравнению с компьютерами обычными, классическими. Попросту говоря, не только ученые, тестирующие D-Wave, пока не смогли увидеть ни одной реальной задачи, где квантовый компьютер мог бы убедительно продемонстрировать свое вычислительное превосходство, но даже сама компания-изготовитель понятия не имеет, что это может быть за задача.
Необходимость ограниченному числу пользователей
По мнению д-ра Питера Шора, несмотря на свою потенциальную мощь, квантовые компьютеры вовсе не обязательно будут выполнять все задачи быстрее классических компьютеров. В действительности, по его оценкам, работоспособный квантовый компьютер каждую из операций будет выполнять даже медленнее, чем компьютер обычный. И лишь для некоторых проблем, там, где исследователи обнаружили методы эффективного использования возможностей столь гигантских объемов хранимой информации, научившись выделять нужный ответ за сравнительно небольшое количество шагов (намного меньшее, чем в классических компьютерах) – появляется возможность существенно ускорить вычисления.
Сложность управления и обслуживания
Даже одна случайная молекула воздуха или другой малейший "шум" в системе способны выбивать кубиты из когерентной сцепленности.
Ошибки в ходе вычислений
Еще одна огромная трудность – это исправление ошибок, неизбежно возникающих в процессе вычислений. В столь тонком устройстве хранимые состояния могут непреднамеренно воздействовать друг на друга, в результате чего операции могут применяться не к тем квантовым битам.
Ограничения квантовой криптографии
- Требуется обязательное наличие выделенной линии вследствие ряда факторов:
- Квадратичное возрастание линий с возрастанием числа пользователей.
- Оптическая линия связи БЕЗ оптических усилителей.
Список литературы
Перейти к списку литературы по разделу "Квантовая криптография".
Андрюхин Б9-04 Покидова Б9-04
В июле команда физиков из Гарвардского университета заявила о создании 51-кубитного квантового компьютера. Уже понятно, что он принесет не только новые возможности, но и новые опасности. Есть ли шанс защититься?
Фото: фото из архива пресс-службы Российского квантового центра
Кубиты — тип битов, которыми оперируют квантовые компьютеры, и до июля самым сложным был компьютер производства IBM на 17 кубитах. Пока ученые спорят о том, способен ли новый компьютер решать задачи, которые недоступны обычным компьютерам, стоит подумать, какие опасности он может представлять?
Одна из них — квантовый компьютер сможет расшифровать любые данные, которые закодированы с помощью сложных математических алгоритмов, и обычные методы криптографии здесь не помогут. Защиту способны обеспечить только устройства, основанные на принципах той же квантовой физики. В России вывод на рынок устройств квантовой криптографии готовят три команды — Российского квантового центра (РКЦ), Московского государственного университета и совместная группа Университета ИТМО и Казанского квантового центра. Команда РКЦ обещает сделать это первой — уже в 2018 году.
Квантовые ключи
Когда два года назад директор РКЦ Руслан Юнусов пообещал инвестору центра, Газпромбанку, первым в России выпустить на рынок коммерческий продукт в сфере квантовой защиты информации, в положительный исход с трудом верил даже лидер проекта физик Юрий Курочкин, посвятивший теме квантового шифрования без малого десять лет. Сейчас 30 физиков, инженеров и программистов посменно дорабатывают «квантовый криптограф», чтобы успеть запустить его в серию в следующему году.
Большинство современных систем защиты информации основано на крайней сложности применяемых в них математических алгоритмов. Один из самых популярных сегодня методов предполагает использование криптографии с открытым ключом. Ключ — секретная информация, с помощью которой зашифровано сообщение, передается по открытому, незащищенному каналу, отсюда и название. Создать ключ довольно просто, а вот взлом сообщения, которое с его помощью зашифровано, — очень сложная математическая задача, решить которую с существующими компьютерными мощностями практически невозможно, поскольку на это потребуется очень много времени, объясняет научный сотрудник РКЦ и один из руководителей проекта квантовой криптографии Алексей Федоров.
Ситуация может в одночасье измениться: в следующие пять—десять лет в мире может появиться квантовый компьютер, мощностей которого окажется достаточно для расшифровки сообщений, зашифрованных криптографией с открытым ключом, и против которого сегодняшние методы этой криптографии будут бесполезны. Решение проблемы нашлось там же, где и ее причина: на смену математической криптографии приходит квантовая, базирующаяся на физических законах.
Технологии квантовой криптографии точнее будет назвать технологиями квантового распределения ключа, и решают они как раз главную проблему классической криптографии — безопасного распределения ключей. «Вы можете выработать ключ, с помощью которого зашифруете сообщение так, что никто не сможет его прочесть. Но передать этот ключ получателю сообщения так, чтобы быть абсолютно уверенным, что он не был прочитан третьей, нежелательной стороной, вы не можете», — объясняет Федоров.
Квантовое распределение ключей решает эту проблему: ключ генерируется и передается с помощью фотонов, приведенных в определенное квантовое состояние. Перехватить передачу этих элементарных частиц, оставшись незамеченным, невозможно: это противоречит законам физики. Нельзя клонировать неизвестное квантовое состояние — это закон физики, сформулированный Уильямом Вуттерсом, Войцехом Зуреком и Деннисом Диэксом в 1982 году. «Если информация закодирована элементарными квантовыми состояниями, то попытка ее «подслушать» внесет в передаваемые данные ошибки, которые очень легко заметить и измерить. Если ошибок много, информацию могли пытаться узнать посторонние. Тогда ключ просто выкидывается и подбирается новый, и так пока не найдется вариант, при передаче которого не будет превышен допустимый уровень ошибок», — объясняет Вадим Макаров, эксперт по квантовой связи и руководитель лаборатории квантового взлома в Институте квантовых вычислений Университета Ватерлоо (Канада).
Для безопасного коннекта у обеих сторон соединения должно быть два устройства: лазер, источник фотонов, с одной стороны, и детектор, «считыватель» фотонов — с другой. Они соединены оптоволоконным кабелем, по которому передается ключ. Скопировать квантовый ключ нельзя. Таким образом, система дает абсолютную защиту пересылаемым данным. Но сейчас у квантовой коммуникации есть заметная слабость: передавать ключи с помощью фотонов можно только на расстояния 50-100 км. На более длинных дистанциях оптоволокно поглощает фотоны, что кратно снижает скорость передачи информации и делает систему непригодной для практического использования, рассказывает Макаров.
Чтобы создать защищенную линию, например между Москвой и Санкт-Петербургом, понадобится примерно десять раз воспроизвести систему «защищенные — источник-детектор одиночных фотонов», каждый раз устанавливая приемно-передающие станции с защищенным узлом, доступ к которым будет только у доверенных лиц. Пока не проложены магистральные «квантовые» каналы связи, использовать которые смогут одновременно многие пользователи, потребителями технологии, скорее всего, будут компании, которым необходима защищенная линия внутри одного города.
«Фотон как курица»
Проект РКЦ самый молодой: разработку коммерческого устройства ученые центра начали около двух лет назад, тогда как университетские команды работают над своими проектами уже по восемь—десять лет. «Под проект получили инвестиции от Газпромбанка и изначально начинали разработку с прицелом максимально быстрого выхода на рынок. Возможности работать в «университетском» формате и тратить на разработку многие годы у нас не было», — говорит Курочкин. В 2015 году Газпромбанк вложил в эту и другие разработки РКЦ 230 млн руб. Сократить срок разработки команде РКЦ помогло и то, что в проекте использовались разработанные предшественниками из других научных организаций инженерные решения, а также алгоритм генерации ключа, известные всем научным группам, ведущим исследования в этой области.
Фото: Артем Голощапов для РБК
Другое устройство, которое разрабатывает команда Университета ИТМО, проходит испытания в Петербурге, Казани и Самаре. Оно появится в ближайшие год-два, обещают в вузе. Разработчики придумали свой способ передачи фотонов, который, по словам участников команды проекта, поможет улучшить технические характеристики. Обычно в устройствах такого типа квантовый сигнал формируется непосредственно источником и передается сначала в одну сторону, затем отражается и идет обратно: это нужно для компенсации воздействия внешней среды на линию связи, говорит лидер проекта, физик Артур Глейм.
«Мы придумали другой способ: идея в том, чтобы поместить квантовый сигнал на боковой частоте сильного классического оптического сигнала, отправлять сильный импульс, а рядом с ним с отстройкой по частоте квантовый сигнал. Кодирование происходит относительно центральной (опорной) частоты. Благодаря этому ему не нужно проходить путь дважды, увеличиваются скорость и расстояние», — объясняет Глейм.
Все три проекта российских институтов примерно равнозначны по своим характеристикам, очевидного лидера среди них нет, считает Вадим Макаров. «Фотон как курица. Каждый «ресторан» готовит его по-своему, но отличие только в этом, а принцип работы остается одним и тем же». На мировом рынке уже есть работающие устройства для квантовой криптографии. Швейцарская ID Quantique сделала первую коммерческую систему больше десяти лет назад. Выпускают такие устройства компании из Японии (Toshiba), Великобритании (QinetiQ), Австрии (Austrian Institute of Technology) и Китая — правда, купить на открытом рынке можно только швейцарские и австрийские устройства.
Конкурировать с зарубежными производителями, по мнению Макарова, российским компаниям будет довольно сложно: все они уже не первый год рынке, новичкам же только предстоит пройти этот путь. Но информационная безопасность — очень болезненная тема, и по крайней мере один рынок, российский, останется полностью в распоряжении местных производителей, говорит ученый. «У российских устройств есть и экспортный потенциал: в конце концов, для России экспорт оружия — одна из существенных статей дохода, не вижу причин, почему не найдутся покупатели и на устройства квантового шифрования», — добавляет Макаров.
Спрос и предложение
Комплект устройства квантовой криптографии от швейцарской ID Quantique обойдется в $200 тыс. Устройство от РКЦ должно стоить меньше — около $150 тыс., говорят в РКЦ. Выводить на рынок разработку, представляющую черную коробку размером примерно с системный блок компьютера, будет отдельный стартап РКЦ — компания QRate.
Основными покупателями новых систем, считает Макаров, станут правительство, банки и крупный бизнес — те структуры, у которых бюджеты на информационную безопасность достаточно велики, чтобы дополнительные траты не внесли в них радикальных изменений. В РКЦ ориентируются прежде всего на банки. Кроме Газпромбанка команда лаборатории договорилась о сотрудничестве в сфере квантовых технологий с ВЭБом. Когда угроза современным методам шифрования станет вполне реальной, квантовая связь должна уже быть налажена, заявил журналу РБК старший вице-президент банка Глеб Юн. Всего ВЭБу могут потребоваться десятки таких устройств, на внедрение которых может понадобиться несколько лет, говорит он. Газпромбанк не ответил на вопросы журнала РБК.
$1 млрд
— приблизительно такой объем у рынка квантовой криптографии на сегодняшний день
50-100 км
— примерно на таком расстоянии сегодня могут работать устройства квантовой криптографии
$200 тыс. — ориентировочная стоимость комплекта устройств квантовой криптографии от швейцарской компании ID Quantique, лидирующей на рынке квантовой связи
Квантовая криптография
Квантовая криптография - метод защиты коммуникаций, основанный на принципах квантовой физики . В отличие от традиционной криптографии , которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации , квантовая криптография сосредоточена на физике, рассматривая случаи, когда информация переносится с помощью объектов квантовой механики . Процесс отправки и приёма информации всегда выполняется физическими средствами, например, при помощи электронов в электрическом токе, или фотонов в линиях волоконно-оптической связи . А подслушивание может рассматриваться, как измерение определённых параметров физических объектов - в нашем случае, переносчиков информации.
Технология квантовой криптографии опирается на принципиальную неопределённость поведения квантовой системы - невозможно одновременно получить координаты и импульс частицы, невозможно измерить один параметр фотона, не исказив другой. Это фундаментальное свойство природы в физике известно как принцип неопределённости Гейзенберга , сформулированный в 1927 г.
Используя квантовые явления, можно спроектировать и создать такую систему связи, которая всегда может обнаруживать подслушивание. Это обеспечивается тем, что попытка измерения взаимосвязанных параметров в квантовой системе вносит в неё нарушения, разрушая исходные сигналы, а значит, по уровню шума в канале легитимные пользователи могут распознать степень активности перехватчика.
История возникновения
Впервые идея защиты информации с помощью квантовых объектов была предложена Стивеном Визнером в 1970 году. Спустя десятилетие Ч. Беннет (фирма IBM) и Ж. Брассард (Монреальский университет), знакомые с работой Визнера, предложили передавать секретный ключ с использованием квантовых объектов. В 1984 году они предположили возможность создания фундаментально защищённого канала с помощью квантовых состояний. После этого ими была предложена схема (BB84), в которой легальные пользователи (Алиса и Боб) обмениваются сообщениями, представленными в виде поляризованных фотонов, по квантовому каналу.
Описанный алгоритм носит название протокола квантового распределения ключа BB84 . В нём информация кодируется в ортогональные квантовые состояния. Помимо использования ортогональных состояний для кодирования информации, можно использовать и неортогональные состояния (например, протокол B92).
Недостаток этого подхода уже в самом его принципе.
Так, при данном алгоритме Еве не обязательно даже измерять квантовую последовательность. Она перехватывает последовательность от Алисы и заменяет её своей. Затем подслушивает разговор Алисы и Боба и определяет, какие именно кванты будут использованы для ключа; так Еве становится известен ключ полностью, при этом Алиса и Боб пока ни о чём не догадываются. Боб посылает Алисе зашифрованное сообщение, которое Ева тут же дешифрует. Алиса, получив сообщение, не поддающееся дешифровке (ключ Алисы не совпадает с ключом шифрования, так как Боб использовал ключ Евы), понимает, что сообщение перехвачено, но к этому времени уже поздно, так как Ева знает его содержание.
Для любых тестов и проверок необходимо повторное установление связи, а значит все начинается сначала. Таким образом решаются сразу две задачи: перехват сообщений и нарушение связи противника. Отсюда можно сделать вывод, что такой способ связи хорош исключительно только для дезинформации, но тогда он не рентабелен и смысл его использования падает до нуля, так как Ева знает, что он только для дезинформации.
Алгоритм Беннета
В 1991 году Ч. Беннетом был предложен следующий алгоритм для выявления искажений в переданных по квантовому каналу данных:
- Отправитель и получатель заранее оговаривают произвольность расположения битов в строках, что определяет произвольный характер положения ошибок.
- Все строки разбиваются на блоки длины k. Где k выбирается так, чтобы минимизировать вероятность ошибки.
- Отправитель и получатель определят четность каждого блока, и сообщают её друг другу по открытому каналу связи. После этого в каждом блоке удаляют последний бит.
- Если четность двух каких-либо блоков оказалось различной, отправитель и получатель производят итерационный поиск неверных битов и исправляют их.
- Затем весь алгоритм выполняется заново для другого (большего) значения k. Это делается для того, чтобы исключить ранее незамеченные кратные ошибки.
- Чтобы определить все ли ошибки были обнаружены, проводится псевдослучайная проверка. Отправитель и получатель открыто сообщают о произвольной перестановке половины бит в строках, а затем вновь открыто сравнивают четности (Если строки различны, четности обязаны не совпадать с вероятностью 0,5). Если четности отличаются, отправитель и получатель производят двоичный поиск и удаляют неверные биты.
- Если различий не наблюдается, после n итераций отправитель и получатель будут иметь одинаковые строки с вероятностью ошибки 2 -n .
Физическая реализация системы
Рассмотрим схему физической реализации квантовой криптографии. Её иллюстрация представлена на рисунке (где рисунок???). Слева находится отправитель, справа - получатель. Для того, чтобы передатчик имел возможность импульсно варьировать поляризацию квантового потока, а приёмник мог анализировать импульсы поляризации, используются ячейки Покеля. Передатчиком формируется одно из четырёх возможных состояний поляризации. На ячейки данные поступают в виде управляющих сигналов. Для организации канала связи обычно используется волокно, а в качестве источника света берут лазер.
На стороне получателя после ячейки Покеля расположена кальцитовая призма, которая должна расщеплять пучок на две составляющие, улавливаемые двумя фотодетекторами (ФЭУ), а те в свою очередь измеряют ортогональные составляющие поляризации. Вначале необходимо решить проблему интенсивности передаваемых импульсов квантов, возникающую при их формировании. Если в импульсе содержится 1000 квантов, существует вероятность того, что 100 из них будут отведены криптоаналитиком на свой приёмник. После чего, проводя анализ открытых переговоров, он сможет получить все необходимые ему данные. Из этого следует, что идеален вариант, когда в импульсе количество квантов стремится к одному. Тогда любая попытка перехватить часть квантов неизбежно изменит состояние всей системы и соответственно спровоцирует увеличение числа ошибок у получателя. В этой ситуации следует не рассматривать принятые данные, а заново повторить передачу. Однако, при попытках сделать канал более надёжным, чувствительность приёмника повышается до максимума, и перед специалистами встает проблема «темнового» шума. Это означает, что получатель принимает сигнал, который не был отправлен адресантом. Чтобы передача данных была надёжной, логические нули и единицы, из которых состоит двоичное представление передаваемого сообщения, представляются в виде не одного, а последовательности состояний, что позволяет исправлять одинарные и даже кратные ошибки.
Для дальнейшего увеличения отказоустойчивости квантовой криптосистемы используется эффект EPR (Einstein-Podolsky-Rosen), возникающий в том случае, если сферическим атомом были излучены в противоположных направлениях два фотона. Начальная поляризация фотонов не определена, но в силу симметрии их поляризации всегда противоположны. Это определяет тот факт, что поляризацию фотонов можно узнать только после измерения. Криптосхема на основе эффекта ERP, гарантирующая безопасность пересылки, была предложена Экертом. Отправителем генерируется несколько фотонных пар, после чего один фотон из каждой пары он откладывает себе, а второй пересылает адресату. Тогда если эффективность регистрации около единицы и на руках у отправителя фотон с поляризацией «1», то у получателя будет фотон с поляризацией «0» и наоборот. То есть легальные пользователи всегда имеют возможность получить одинаковые псевдослучайный последовательности. Но на практике оказывается, что эффективность регистрации и измерения поляризации фотона очень мала.
Практические реализации системы
- г. Беннет и Брассар в Исследовательском центре IBM построили первую работающую квантово-криптографическую систему. Она состояла из квантового канала, содержащего передатчик Алисы на одном конце и приёмник Боба на другом, размещённые на оптической скамье длиной около метра в светонепроницаемом полутораметровом кожухе размером 0,5×0,5 м. Собственно квантовый канал представлял собой свободный воздушный канал длиной около 32 см. Макет управлялся от персонального компьютера , который содержал программное представление пользователей Алисы и Боба, а также злоумышленника.
- г. передача сообщения посредством потока фотонов через воздушную среду на расстояние 32 см с компьютера на компьютер завершилась успешно. Основная проблема при увеличении расстояния между приёмником и передатчиком - сохранение поляризации фотонов. На этом основана достоверность способа.
- Созданная при участии Женевского университета компания GAP-Optique под руководством Николаса Гисина совмещает теоретические исследования с практической деятельностью. Первым результатом этих исследований стала реализация квантового канала связи с помощью оптоволоконного кабеля длинной 23 км, проложенного по дну озера и соединяющего Женеву и Нион. Тогда был сгенерирован секретный ключ, уровень ошибок которого не превышал 1,4 %. Но все-таки огромным недостатком этой схемы была чрезвычайно малая скорость передачи информации. Позже специалистам этой фирмы удалось передать ключ на расстояние 67 км из Женевы в Лозанну с помощью почти промышленного образца аппаратуры. Но и этот рекорд был побит корпорацией Mitsubishi Electric, передавшей квантовый ключ на расстояние 87 км, правда, на скорости в один байт в секунду.
- Активные исследования в области квантовой криптографии ведут IBM, GAP-Optique, Mitsubishi , Toshiba , Национальная лаборатория в Лос-Аламосе , молодая компания MagiQ и холдинг QinetiQ, поддерживаемый британским министерством обороны. В частности, в национальной лаборатории Лос-Аламоса была разработана и начала широко эксплуатироваться опытная линия связи, длиной около 48 километров. Где на основе принципов квантовой криптографии происходит распределение ключей, и скорость распределения может достигать несколько десятков кбит/с.
- г. доктор Эндрю Шилдс и его коллеги из TREL и Кембриджского университета создали диод, способный испускать единичные фотоны. В основе нового светодиода лежит «квантовая точка » - миниатюрный кусочек полупроводникового материала диаметром 15 нм и толщиной 5 нм, который может при подаче на него тока захватывать лишь по одной паре электронов и дырок. Это дало возможность передавать поляризованные фотоны на большее расстояние. В ходе экспериментальной демонстрации удалось передать зашифрованные данные со скоростью 75 Кбит/с - при том, что более половины фотонов терялось.
- В Оксфордском университете ставятся задачи повышения скорости передачи данных. Создаются квантово-криптографические схемы, в которых используются квантовые усилители. Их применение способствует преодолению ограничения скорости в квантовом канале и, как следствие, расширению области практического применения подобных систем.
- В университете Дж. Хопкинса (США) на квантовом канале длиной 1 км построена вычислительная сеть, в которой каждые 10 минут производится автоматическая подстройка. В результате этого, уровень ошибки снижен до 0,5 % при скорости связи 5 кбит/с.
- Министерством обороны Великобритании поддерживается исследовательская корпорация QinetiQ, являющаяся частью бывшего британского агентства DERA (Defence Evaluation and Research Agency), которая специализируется на неядерных оборонных исследованиях и активно совершенствует технологию квантового шифрования.
- Исследованиями в области квантовой криптографии занимается молодая американская компания Magiq Technologies из Нью-Йорка , выпустившая прототип коммерческой квантовой криптотехнологии собственной разработки. Основной продукт Magiq - средство для распределения ключей (quantum key distribution, QKD), которое названо Navajo (По имени индейцев Навахо, язык которых во время Второй мировой войны американцы использовали для передачи секретных сообщений, поскольку за пределами США его никто не знал). Navajo способен в реальном времени генерировать и распространять ключи средствами квантовых технологий и предназначен для обеспечения защиты от внутренних и внешних злоумышленников.
- В октябре 2007 года на выборах в Швейцарии были повсеместно использованы квантовые сети, начиная избирательными участками и заканчивая датацентром ЦИК. Была использована техника, которую ещё в середине 90-х в Университете Женевы разработал профессор Николас Гисин. Также одним из участников создания такой системы была компания Id Quantique .
- В 2011 году в Токио прошла демонстрация проекта «Tokyo QKD Network», в ходе которого разрабатывается квантовое шифрование телекоммуникационных сетей. Была проведена пробная телеконференция на расстоянии в 45 км. Связь в системе идёт по обычным оптоволоконным линиям . В будущем предполагается применение для мобильной связи .
Квантовый криптоанализ
Частотный спектр в оптическом канале квантово-криптографической системы.
Широкое распространение и развитие квантовой криптографии не могло не спровоцировать появление квантового криптоанализа, который обладает неоспоримыми преимуществами и экспоненциально перед обычным. Рассмотрим, например, всемирно известный и распространенный в наши дни алгоритм шифрования RSA (Rivest, Shamir, Adleman, 1977) . В основе этого шифра лежит идея того, что на простых компьютерах невозможно решить задачу разложения очень большого числа на простые множители, ведь данная операция потребует астрономического времени и экспоненциально большого числа действий. Поэтому, для решения этой задачи, и был разработан квантовый алгоритм, позволяющий найти за конечное и приемлемое время все простые множители больших чисел, и, как следствие, взломать шифр RSA. Поэтому создание квантовой криптоаналитической системы является плохой новостью для RSA и любого другого шифра, ведь квантовый криптоанализ может быть применён ко всем классическим шифросистемам. Необходимо только создание квантового компьютера, способного развить достаточную мощность.
Взлом квантовой системы
В 2010 году учёные успешно опробовали один из возможных способов необнаружимой атаки, показав принципиальную уязвимость двух криптографических систем, разработанных компаниями ID Quantique и MagiQ Technologies . И уже в 2011 году работоспособность метода была проверена в реальных условиях эксплуатации, на развёрнутой в Национальном университете Сингапура системе распространения ключей, которая связывает разные здания отрезком оптоволокна длиной в 290 м.
В эксперименте использовалась физическая уязвимость четырёх однофотонных детекторов (лавинных фотодиодов), установленных на стороне получателя (Боба). При нормальной работе фотодиода приход фотона вызывает образование электронно-дырочной пары, после чего возникает лавина, а результирующий выброс тока регистрируется компаратором и формирователем импульсов. Лавинный ток «подпитывается» зарядом, хранимым небольшой ёмкостью (≈ 1,2 пФ), и схеме, обнаружившей одиночный фотон, требуется некоторое время на восстановление (~ 1 мкс).
Если на фотодиод подавать такой поток излучения, когда полная перезарядка в коротких промежутках между отдельными фотонами будет невозможна, амплитуда импульса от одиночных квантов света может оказаться ниже порога срабатывания компаратора.
В условиях постоянной засветки лавинные фотодиоды переходят в «классический» режим работы и выдают фототок, пропорциональный мощности падающего излучения. Поступление на такой фотодиод светового импульса с достаточно большой мощностью, превышающей некое пороговое значение, вызовет выброс тока, имитирующий сигнал от одиночного фотона. Это и позволяет криптоаналитику (Еве) манипулировать результатами измерений, выполненных Бобом : она «ослепляет» все его детекторы с помощью лазерного диода, который работает в непрерывном режиме и испускает свет с круговой поляризацией, и по мере надобности добавляет к этому линейно поляризованные импульсы. При использовании четырёх разных лазерных диодов, отвечающих за все возможные типы поляризации (вертикальную, горизонтальную, ±45˚), Ева может искусственно генерировать сигнал в любом выбранном ею детекторе Боба .
Опыты показали, что схема взлома работает очень надёжно и даёт Еве прекрасную возможность получить точную копию ключа, переданного Бобу . Частота появления ошибок, обусловленных неидеальными параметрами оборудования, оставалась на уровне, который считается «безопасным».
Однако, устранить такую уязвимость системы распространения ключей довольно легко. Можно, к примеру, установить перед детекторами Боба источник одиночных фотонов и, включая его в случайные моменты времени, проверять, реагируют ли лавинные фотодиоды на отдельные кванты света.
Подключай и работай (Plug & Play)
Практически все квантово-оптические криптографические системы сложны в управлении с каждой стороны канала связи требуют постоянной подстройки. На выходе канала возникают беспорядочные колебания поляризации ввиду воздействия внешней среды и двойного лучепреломления в оптоволокне. Но недавно была сконструирована такая реализация системы, которую смело можно назвать plug and play («подключай и работай»). Для такой системы не нужна подстройка, а только синхронизация. Система построена на использовании зеркала Фарадея, которое позволяет избежать двойного лучепреломления и как следствие не требует регулировки поляризации. Это позволяет пересылать криптографические ключи по обычным телекоммуникационным системам связи. Для создания канала достаточно лишь подключить приёмный и передающий модули, провести синхронизацию и можно начинать передачу. Поэтому такую систему можно назвать plug and play .
Перспективы развития
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 1 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:
1) Достижение скорости передачи данных по квантовому каналу связи в 50 Мбит/с, при этом единовременные ошибки не должны будут превышать 4 %.
2) Создание квантового канала связи длиной более 100 км.
3) 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.
Технология квантового распределения криптографических ключей решает одну из основных задач криптографии - гарантированное на уровне фундаментальных законов природы распределение ключей между удаленными пользователями по открытым каналам связи. Криптографический ключ - это числовая последовательность определенной длины, созданная для шифрования информации. Квантовая криптография позволяет обеспечить постоянную и автоматическую смену ключей при передаче каждого сообщения в режиме одноразового «шифроблокнота»: на сегодняшний день это единственный вид шифрования со строго доказанной криптографической стойкостью.
История
Идея использовать квантовые объекты для защиты информации от подделки и несанкционированного доступа впервые была высказана Стефаном Вейснером в 1970 г. Спустя 10 лет ученые Беннет и Брассард, которые были знакомы с работой Вейснера, предложили использовать квантовые объекты для передачи секретного ключа. В 1984 г. они опубликовали статью, в которой описывался протокол квантового распространения ключа ВВ84.
Носителями информации в протоколе ВВ84 являются фотоны, поляризованные под углами 0, 45, 90, 135 градусов.
Позднее идея была развита Экертом в 1991 году. В основе метода квантовой криптографии лежит наблюдение квантовых состояний фотонов. Отправитель задает эти состояния, а получатель их регистрирует. Здесь используется квантовый принцип неопределенности Гейзенберга, когда две квантовые величины не могут быть измерены одновременно с требуемой точностью. Таким образом, если отправитель и получатель не договорились между собой, какой вид поляризации квантов брать за основу, получатель может разрушить посланный отправителем сигнал, не получив никакой полезной информации. Эти особенности поведения квантовых объектов легли в основу протокола квантового распространения ключа.
Алгоритм Беннета
В 1991 году Беннет для регистрации изменений в переданных с помощью квантовых преобразований данных использовать следующий алгоритм:
- Отправитель и получатель договариваются о произвольной перестановке битов в строках, чтобы сделать положения ошибок случайными.
- Строки делятся на блоки размера k (k выбирается так, чтобы вероятность ошибки в блоке была мала).
- Для каждого блока отправитель и получатель вычисляют и открыто оповещают друг друга о полученных результатах. Последний бит каждого блока удаляется.
- Для каждого блока, где четность оказалась разной, получатель и отправитель производят итерационный поиск и исправление неверных битов.
- Чтобы исключить кратные ошибки, которые могут быть не замечены, операции предыдущих пунктов повторяются для большего значения k.
- Для того чтобы определить, остались или нет необнаруженные ошибки, получатель и отправитель повторяют псевдослучайные проверки, а именно: получатель и отправитель открыто объявляют о случайном перемешивании позиций половины бит в их строках; получатель и отправитель открыто сравнивают четности (если строки отличаются, четности должны не совпадать с вероятностью 1/2); если имеет место отличие, получатель и отправитель, использует двоичный поиск и удаление неверных битов.
- Если отличий нет, после m итераций получатель и отправитель получают идентичные строки с вероятностью ошибки 2-m.
Реализация идеи квантовой криптографии
Схема практической реализации квантовой криптографии показана на рисунке. Передающая сторона находится слева, а принимающая - справа. Ячейки Покеля необходимы для импульсной вариации поляризации потока квантов передатчиком и для анализа импульсов поляризации приемником. Передатчик может формировать одно из четырех состояний поляризации. Передаваемые данные поступают в виде управляющих сигналов на эти ячейки. В качестве канала передачи данных может быть использовано оптоволокно. В качестве первичного источника света можно использовать и лазер.
На принимающей стороне после ячейки Покеля установлена кальцитовая призма, которая расщепляет пучок на два фотодетектора (ФЭУ), измеряющие две ортогональные составляющие поляризации. При формировании передаваемых импульсов квантов возникает проблема их интенсивности, которую необходимо решать. Если квантов в импульсе 1000, есть вероятность, что 100 квантов по пути будет отведено злоумышленником на свой приемник. В последующем, анализируя открытые переговоры между передающей и принимающей стороной, он может получить нужную ему информацию. Поэтому в идеале число квантов в импульсе должно быть около одного. В этом случае любая попытка отвода части квантов злоумышленником приведет к существенному изменению всей системы в целом и, как следствие, росту числа ошибок у принимающей стороны. В подобной ситуации принятые данные должны быть отброшены, а попытка передачи повторена. Но, делая канал более устойчивым к перехвату, специалисты сталкиваются с проблемой "темнового" шума (получение сигнала, который не был отправлен передающей стороной, принимающей стороной) приемника, чувствительность которого повышена до максимума. Для того, чтобы обеспечить надежную передачу данных, логическому нулю и единице могут соответствовать определенные последовательности состояний, допускающие коррекцию одинарных и даже кратных ошибок.
Дальнейшего повышения отказоустойчивости квантовой криптосистемы можно достичь, используя эффект EPR, который возникает, когда сферически симметричный атом излучает два фотона в противоположных направлениях в сторону двух наблюдателей. Фотоны излучаются с неопределенной поляризацией, но в силу симметрии их поляризации всегда противоположны. Важной особенностью этого эффекта является то, что поляризация фотонов становится известной только после измерения. Экерт предложил криптосхему на основе эффекта EPR, которая гарантирует безопасность пересылки и хранения ключа. Отправитель генерирует некоторое количество EPR фотонных пар. Один фотон из каждой пары он оставляет для себя, второй посылает своему партнеру. При этом, если эффективность регистрации близка к единице, при получении отправителем значения поляризации 1, его партнер зарегистрирует значение 0 и наоборот. Таким образом партнеры всякий раз, когда требуется, могут получить идентичные псевдослучайные кодовые последовательности. Практически реализация данной схемы проблематична из-за низкой эффективности регистрации и измерения поляризации одиночного фотона.
Экспериментальные реализации
2019: Испытания системы для квантовой защиты передачи данных на ВОЛС «Ростелекома»
2017
В России представлен квантовый телефон ViPNet
Технологию квантового 4D-кодирования впервые испытали в городских условиях
Как стало известно 30 августа 2017 года, исследователи из университета Оттавы успешно провели первые реальные испытания технологии квантового 4D-кодирования, передав зашифрованные сообщения между двумя станциями, расположенными на крышах высотных зданий, расстояние между которыми составляло 300 метров.
Технология
Традиционные технологии квантовых коммуникаций, уже используемые в некоторых местах для создания "невзламываемых" квантовых сетей, используют стандартную двоичную систему счисления, кодируя в одном фотоне один бит передаваемой информации. Некоторое время назад была изобретена технология так называемого многомерного квантового кодирования, которая позволяет удвоить объем информации, заключенной в одном фотоне света. Это, в свою очередь, позволяет каждому фотону нести одно из четырех значений - 00, 01, 10 и 11, вследствие чего технология получила название квантового 4D-кодирования. Помимо того, технологию отличает более высокий уровень защищенности от попыток преднамеренного вмешательства и большая устойчивость к влиянию посторонних факторов окружающей среды.
Эксперимент
Тест проводился на дистанции в 300 метров. В ходе эксперимента осуществлялась передача информации между двумя базовыми станциями, установленными на крышах зданий, которые предварительно были помещены внутрь деревянных коробок, защищающих их от непогоды. В таких условиях уровень ошибок при передаче данных составил 11%, что гораздо ниже уровня, требующегося для организации безопасного квантового коммуникационного канала. С учетом повторов и избыточной информации для коррекции ошибок, система смогла передать в 1,6 раза больше информации, чем система с обычным двухмерным квантовым кодированием, работающая в идеальных условиях.
| Наш эксперимент стал первой в мире передачей данных, проведенной при помощи технологии многомерного квантового кодирования в реальных городских условиях, включая непогоду, - рассказал Эбрахим Карими (Ebrahim Karimi), ведущий исследователь. - Продемонстрированная нами безопасная квантовая коммуникационная система, работающая на открытом воздухе, способна обеспечить связь со спутниками на орбите и местами на поверхности Земли, куда нецелесообразно прокладывать оптическое волокно. Кроме этого, такая система может служить для организации безопасной связи с движущимися объектами, такими как самолеты и суда. |
Планы
Ученые планируют провести испытания системы квантового 4D-кодирования на дистанции в 3 километра, после чего рассчитывают увеличить дистанцию до 5,6 километров с использованием промежуточных станций и системы адаптивной оптики, предназначенной для компенсации искажений, вносимых атмосферой. В более долгосрочной перспективе исследователи планируют добавить большее количество "измерений кодирования", что, в свою очередь, позволит еще больше увеличить объем информации, упакованной в один фотон.
С точки зрения технологий квантовых коммуникаций окружающий мир является весьма "шумным" местом, заполненным препятствиями, движущимся воздухом и пронизанным электромагнитными сигналами. Как результат, передача сигнала в "шумной" городской среде на расстояние в 3 километра эквивалентна передаче такого же сигнала на спутник с базовой станции, расположенной в тихом изолированном месте, подчеркнули исследователи.
Создание защищенной сети в Китае
В июле 2017 года стало известно о том, что Китай строит "невзламываемую" коммуникационную сеть, в основе которой будет лежать принцип квантовой криптографии. Проект уже запущен в городе Цзинань. Как утверждает местная пресса, это исторический момент. Ранее "квантовый" канал связи был организован между двумя крупнейшими городами Китая.
К 25 июля 2017 года в цзинаньской сети насчитывается 200 абонентов - представители военных, правительственных организаций, а также финансового и энергетического сектора. Они смогут общаться, не опасаясь прослушки.
Квантовая криптография - метод защиты коммуникаций, основанный на принципах квантовой физики. В отличие от традиционной криптографии, которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, квантовая криптография сосредоточена на физике, рассматривая случаи, когда информация переносится с помощью объектов квантовой механики - при помощи электронов в электрическом токе, или, как в случае с проектом в Цзинане, фотонов в линиях волоконно-оптической связи.
Китай строит "невзламываемую" коммуникационную сеть, в основе которой будет лежать принцип квантовой криптографии
Ключевой особенностью такой системы является то, что любую атаку, любые попытки подслушивать будут немедленно обнаружены.
Технология квантовой криптографии опирается на принципиальную неопределенность поведения квантовой системы. Принцип неопределенности Гейзенберга гласит: невозможно одновременно получить координаты и импульс частицы, невозможно измерить один параметр фотона, не исказив другой. Иными словами, попытка измерения взаимосвязанных параметров в квантовой системе вносит в нее нарушения, разрушая исходные сигналы, - это означает возможность немедленного выявления перехватчика в канале связи.
Традиционная (математическая) криптография предусматривает, что попытки взломать ключи шифрования - это очень сложная математическая проблема; для ее решения требуются обширные вычислительные ресурсы.
Однако, чем дальше, тем мощнее становятся компьютеры, и тем длиннее должны становиться ключи шифрования. Вдобавок на подходе квантовые компьютеры, чья вычислительная мощность будет находиться на принципиально более высоком уровне, нежели у современной техники. Традиционная криптография может оказаться слишком слабой перед ними.
Перехват ключей в квантовой криптографии в принципе возможен, но, по вышеописанным причинам, злоумышленник не сможет не выдать себя.
Что характерно, Китай оказался впереди планеты всей в вопросе квантовой криптографии. Создание инфраструктуры для ее практической реализации - дело крайне затратное, и ни европейский, ни американский бизнес не спешили вкладываться в нее.
По его словам, он еще в 2004 году призывал ЕС активнее вкладываться в "квантовые" проекты, но безрезультатно.
Высокоскоростной квантовый шифратор МГУ
На базе технологии, созданной в рамках проекта Фонда перспективных исследований , будет создан высокопроизводительный шифратор с квантовым каналом распределения криптографических ключей для быстрой и абсолютно безопасной передачи информации по оптоволоконным линиям связи.
Грант Минобрнауки России
Как ожидается, 631-килограммовый спутник «Мо-цзы» (Micius), названный в честь китайского философа-легиста, будет находиться на орбите на расстоянии 500 км от земной поверхности в течение не менее двух лет.
По информации агентства «Синьхуа», установлена устойчивая связь для передачи данных между завершившим тесты спутником «Мо-цзы» и экспериментальной платформой для квантовой телепортации на станции Али в Тибете.
Несмотря на «фантастическое» название платформы для квантовой телепортации, она не имеет отношение к телепортации, описываемой в беллетристике.
На оборудовании «Мо-цзы» реализуется канал связи на основе пар так называемых запутанных фотонов - субатомных частиц, свойства которых зависят друг от друга. Ученые рассчитывают передавать один из фотонов со спутника в исследовательские центры в Китае и Австрии.
2016: Т8 и РКЦ создадут систему защищенной квантовой связи
2015
Acronis внедряет квантовое шифрование
30 сентября 2015 года компания Acronis сообщила о планах внедрить технологии квантового шифрования в свои продукты для защиты данных. Поможет ей в этом швейцарская ID Quantique, инвестором которой является созданный Сергеем Белоусовым фонд QWave Capital .
Компания Acronis займется разработкой технологий квантовой криптографии. Вендор планирует оснастить ими свои продукты и считает, что это обеспечит более высокий уровень безопасности и конфиденциальности. Acronis рассчитывает стать первой на рынке компанией, внедрившей подобные методы защиты.
Партнером Acronis по разработке квантовой криптографии станет швейцарская компания ID Quantique, с которой вендор заключил соглашение. ID Quantique - компания, связанная с генеральным директором Acronis Сергеем Белоусовым - он основатель фонда QWave Capital , одного из инвесторов ID Quantique.
Одна из технологий, которую Acronis планирует внедрить в свои решения - квантовое распределение ключа. Ключ шифрования передается по оптоволоконному каналу посредством одиночных фотонов. Попытка перехвата или измерения определенных параметров физических объектов, которые в этом случае являются носителями информации, неизбежно искажает другие параметры. В результате, отправитель и получатель обнаруживают попытку получения неавторизованного доступа к информации. Также планируется применить квантовые генераторы случайных чисел и шифрование , устойчивое к квантовым алгоритмам.
Технологии ID Quantique ориентированы на защиту информации в государственном секторе и коммерческих компаниях.
«Квантовые вычисления требуют нового подхода к защите данных, - заявил Сергей Белоусов . - Мы в Acronis убеждены, что конфиденциальность является одной из важнейших составляющих при комплексной защите данных в облаке. Сегодня мы работаем с такими ведущими компаниями, как ID Quantique, чтобы пользователи наших облачных продуктов получали самые безопасные решения в отрасли и были защищены от будущих угроз и атак».
В компании Acronis выражают уверенность - квантовое шифрование поможет избавить заказчиков (полагающих, что провайдер сможет прочесть их данные) от страха отправки данных в облако.
Эксперимент Toshiba
По мнению разработчиков новой технологии, лучший способ защитить информацию в сети – использовать одноразовые ключи для дешифрования. Проблема в безопасной передаче самого ключа.
Квантовая криптография для этого использует законы физики, в отличие от привычных методов, основанных на математических алгоритмах. Ключ в системе, созданной Toshiba , передается в форме фотонов, сгенерированных лазером - световые частицы доставляются по специальному оптоволоконному кабелю, не подключенному к интернету. Природа фотонов такова, что любые попытки перехвата данных изменяют эти данные и это немедленно детектируется, а поскольку одноразовый ключ должен иметь размер, идентичный зашифрованным данным, исключается повторное применение одного и того же шаблона, что делает декодирование без правильного ключа невозможным.
Квантовая криптография для мобильных устройств
Квантовая криптография - чрезвычайно надежный в теории метод защиты каналов связи от подслушивания, однако на практике реализовать его пока довольно трудно. На обоих концах канала должна быть установлена сложная аппаратура - источники одиночных фотонов, средства управления поляризацией фотонов и чувствительные детекторы. При этом для измерения угла поляризации фотонов необходимо точно знать, как ориентировано оборудование на обоих концах канала. Из-за этого квантовая криптография не подходит для мобильных устройств.
Ученые из Бристольского университета предложили схему, при которой сложное оборудование необходимо только одному участнику переговоров. Второй лишь модифицирует состояние фотонов, кодируя этим информацию, и отправляет их обратно. Аппаратуру для этого можно разместить в карманном устройстве. Авторы предлагают и решение проблемы ориентации оборудования. Измерения производятся в случайных направлениях. Список направлений может быть опубликован открыто, но при расшифровке будут учитываться только совпадающие направления. Авторы называют метод «независимым от системы отсчета квантовым распределением ключей»: rfiQKD.