Zmedite razkrite

Zmedite razkrite

Ilya Ferapontov
"Popularna mehanika" №2, 2016

Največja dolžina komunikacijskega kanala, ki omogoča uporabo metode kvantne kriptografije, je le nekaj več kot sto kilometrov. Znanstveniki iz ruskega Quantum Centra so razvili način za znatno povečanje te razdalje.

Predstavljajte si, da morate pred pošiljanjem e-poštnega sporočila prijatelju dobiti zemljevid, izmeriti razdaljo do mesta, kjer živi, ​​in če se izkaže, da je ta razdalja več kot 100 km, vzemite svinčnik in papir z vzdihom in prevzamete običajno " papir "pismo – e-pošto nad 100 km, ne gre.

Absurdna situacija? Toda ravno to je zdaj, ko se stvari prenašajo s prenosom kvantnih podatkov prek optičnih komunikacijskih linij – tukaj je le malo več kot sto kilometrov, pri čemer je stabilno delovanje na običajnih, ne-snemalnih vodih običajno omejeno na 40 km. To pomeni, na primer, da se znotraj Moskve lahko organizira linija kvantne komunikacije, vendar ni potrebe razmišljati o prenosu podatkov v Sankt Peterburg. Kakšne so možnosti za kvantno kriptografijo na področju telekomunikacij?

Bankovci in beležnice

Zgodovina kvantne kriptografije se je začela konec šestdesetih let prejšnjega stoletja, ko je študent na univerzi Columbia Stephen Wisner svojemu bivšemu kolegi Charlesu Bennetu predstavil zamisel o kvantnih bankovcih, ki načeloma ni mogoče ponarejati, ker je izključena z zakoni narave. Zamisel je bila postaviti več kvantnih predmetov na vsak bankovec. To so lahko na primer pasti s fotoni, od katerih je vsaka polarizirana pod določenim kotom v eni od dveh podlag – bodisi pod kotom 0 in 90, ali 45 in 135 stopinj. Serijska številka je natisnjena na bankovcu, vendar je kombinacija polarizacij in baz, ki ustrezajo številu (filtri, s katerimi je polarizacija pritrjena ali izmerjena s polarizacijo) poznana le banki. Za ponarejanje takega bankovca mora ponaredek izmeriti polarizacijo vsakega fotona, vendar ne ve, v kakšni meri je vsaka od njih polarizirana. Če se z bazo napaka napiše, se bo polarizacija fotona spremenila in ponarejena bankovec bo z napačno polarizacijo. Kvantni denar se še ni pojavil, ker doslej ni bilo mogoče ustvariti dovolj zanesljivih pasti za fotone.Vendar pa je Vizner istočasno predlagal uporabo istega načela za zaščito informacij, in ta tehnologija je zdaj blizu izvedbi.

Viznerjeve zamisli pa niso bile takoj priznane. V začetku sedemdesetih let je Wizner poslal članek o kvantni kriptografiji v revijo IEEE transakcije na teoriji informacij, ampak za urednike in recenzente, jezik članka se je zdel preveč zapleten. Šele leta 1983 je bil članek objavljen v reviji Novice ACM Novice Sigact News, in ona je postala prva zgodovina v zgodovini o osnovah kvantne kriptografije.

Sprva sta Vizner in Bennett razmišljala o možnosti prenosa šifriranih sporočil s pomočjo kvantnih "nosilcev", medtem ko bi prisluškovanje pokvarilo sporočilo in onemogočilo njegovo branje. Potem so prišli z izboljšano različico – uporaba kvantnih kanalov za prenos enkratnih "šifrirnih prenosnikov" – šifrirnih ključev.

Zaprto ovojnico

Kvantni komunikacijski sistemi temeljijo na uporabi kvantnih lastnosti informacijskih nosilcev. Če se v konvencionalnih telekomunikacijskih omrežjih podatki kodirajo v amplitudi in pogostosti sevanja ali električnih nihanj, se v kvantnih omrežjih kodira v amplitudi elektromagnetnega polja ali pri polarizaciji fotonov.Seveda bo potrebna dražja in zapletena oprema, vendar so ti triki utemeljeni: dejstvo je, da prenos informacij prek kvantnih kanalov zagotavlja sto-odstotno zaščito pred "prisluškovanjem". Po zakonih kvantne mehanike merjenje lastnosti kvantnega objekta, na primer merjenje polarizacije fotona, neizogibno spremeni njegovo stanje. Prejemnik bo opazil, da se je stanje fotonov spremenilo in to načeloma ni mogoče preprečiti – to so temeljni zakoni narave. To je mogoče opisati s takšno analogijo: zamislite, da pošljete pismo v zaprto ovojnico. Če nekdo odpre črko in ga prebere, se bo barva papirja spremenila in prejemnik bo neizogibno razumel, da je tretja oseba prebrala sporočilo.

Prvi protokol

Prvi protokol distribucije kvantnih ključev sta leta 1984 ustvarila Gilles Brassard in Charles Bennett in je bila imenovana BB84. Za prenos podatkov se uporabljajo fotoni, polarizirani v štirih različnih smereh, v dveh podlagah – pod kotom 0 in 90 stopinj (označen s znakom "+") ali 45 in 135 stopinj ("x").

Pošiljatelj sporočila A (tradicionalno se imenuje "Alice") polarizira vsak foton v naključno izbrani osnovi in ​​ga nato pošlje prejemniku B – "Bob."Bob meri vsak foton, tudi v naključno izbrani osnovi. Po tem Alice prek odprtega kanala pove Bobu zaporedje njegovih baz in Bob zavrže napačne (neizravnane) baze in pove Alice, kateri podatki niso "prešli". Hkrati se od odprtih kanalov ne razpravlja o vrednostih, dobljenih kot rezultat meritev.

Izmenjava informacij je videti takole: če je špijun (običajno se imenuje "Eva", iz angleščine prisluškovanje – prisluškovanje) želi prestreči tajni ključ, bo moral izmeriti polarizacijo fotonov. Ker ne pozna osnove, ga bo moral naključno opredeliti. Če je osnova določena nepravilno, potem Eve ne bo prejel pravilnih podatkov, poleg tega pa bo spremenil polarizacijo fotona. Napake, ki se pojavijo, bodo takoj odkrile Alice in Bob.

Najbolj dragocene informacije so šifrirni ključi. Če ima ključ dolžina enaka samemu sporočilu ali celo več, potem načeloma ni mogoče dekodirati sporočila, ne da bi vedel ključ. Še naprej je organiziran varen prenos ključev, in to je točno tisto, kar zagotavljajo kvantne linije komuniciranja. Medtem ko je razdalja prenosa podatkov za takšne proge prekratek: zaradi toplotnega hrupa, izgub, napak v optičnem vlaknu, fotoni ne "preživijo" na velikih razdaljah.

Kvantni ključi

Mnoge raziskovalne ekipe po vsem svetu razvijajo naprave za "obnovitev" kvantnih podatkov – tako imenovanih kvantnih repetitorjev, ki lahko "oživijo" fotone. Skupina raziskovalcev iz ruskega Quantum Centra, pod vodstvom profesorja Aleksandra Lvovskega, je našla način za obnovitev lastnosti fotonov in eksperimentalno potrdila učinkovitost te metode. Znanstveniki so preučevali fenomen kvantne zapletenosti, v katerem so povezana stanja dveh ali več predmetov – atomi, fotoni, ioni. Če se izmeri stanje enega od dveh zapletenih fotonov, bo stanje drugega takoj definirano, stanje dveh pa se bo nedvoumno povezalo – na primer, če je en foton polariziran navpično, potem je drugi horizontalen in obratno.

Obdukcija ob ušesu

Prvi uspešen preizkus kvantnega prenosa podatkov sta Bennett in Gilles Brassard izvedla konec oktobra 1989, ko je bila na razdalji 32,5 cm nameščena varna kvantna komunikacija. Naprava je spremenila polarizacijo fotonov, vendar pa je bil električni napajalnik hrupno različen, odvisno od kakšna je polarizacija. Tako bi ljudje okoli lahko prosto razlikovali med ničlami ​​in tremi po ušesu.Kot pravi Brassard, "je naš prototip zaščiten pred prisluškovalko, ki bi bil gluh." Oktobra 2007 so metode kvantne kriptografije najprej uporabile v obsežnem projektu. Kvantni varno komunikacijski sistem, ki ga je razvila švicarska družba Id quantique, je bil uporabljen za posredovanje podatkov o rezultatih glasovanja na parlamentarnih volitvah v švicarskem kantonu Ženeva. Glasovi švicarjev so bili tako zaščiteni kot nobena druga informacija.

"Če distribuirate pare zapletenih fotonov med dvema oddaljenima partnerjema, obe dobita isto zaporedje, ki se lahko uporabi kot šifrirni ključ, ker je to resnično naključno zaporedje, ki ga ni mogoče uganiti ali izračunati. Če nekdo poskuša ogledati zapletene fotone, povezava med njimi bo izgubljena in ključ ne bo več odstranjen iz njih, "pojasnjuje Alexander Lvovsky.

Izziv je ohraniti stanje kvantne zapletenosti pri oddajanju na dolge razdalje. Do zdaj je bil to velik problem. Še vedno ni bilo mogoče prenesti zapletenih fotonov na razdalji več kot 100 km prek omrežij optičnih vlaken. Na boDolge razdalje, kvantni podatki se preprosto izgubijo v hrupu.V konvencionalnih telekomunikacijskih omrežjih se uporabljajo različne vrste repetitorjev ali signalni ojačevalniki, ki povečujejo amplitudo signala in odstranjujejo hrup, vendar v primeru kvantnih podatkov ta pristop ne deluje. Fotona ni mogoče "okrepiti", pri poskusu merjenja njenih parametrov se bo stanje fotona spremenilo, kar pomeni, da izginejo vse prednosti kvantne kriptografije.

Kvantni repetitorji

Znanstveniki iz različnih držav poskušajo razviti tehnologijo kvantnih repetitorjev – naprav, ki lahko "ponovno ustvarijo" kvantne informacije, ne da bi jih uničili. Zdi se, da je skupina Lviv našla pot, ki lahko vodi do uspeha. Leta 2002 sta s kolegi odkrila radoveden ucinek, ki se je po analogiji s kemijskim izrazom imenoval "kvantna kataliza", kjer se lahko nekatere reakcije izvajajo samo v prisotnosti posebne snovi – katalizatorja. V svojem poskusu je bil svetlobni impulz zmešan s "pomožnim" enim fotonom na delno prenosnem zrcalu. Potem je bil ta foton "odstranjen". Zdi se, da se stanje svetlobnega pulza ne bi smelo spremeniti. Ampak, zaradi paradoksnih lastnosti kvantne interference, ga je foton spremenil v smeri »krepitve« kvantnih lastnosti.

"Takrat je ta pojav izgledal kot zanimiv fenomen, ki je v kvantni fiziki številen. Zdaj se izkaže, da ima pomembno praktično uporabo – omogoča vam, da rekonstruirate zapletanje kvantnih svetlobe," pravi Alexander Lvovsky.

V svojem novem delu, katerega poročilo je bilo objavljeno v reviji Narava fotonika, so se znanstveniki naučili, da ponovno zapletajo "razkrite" fotone. Kot vir zapletenih fotonov v eksperimentu so uporabili nelinearni kristal kristala titanovega fosfata s periodično domensko strukturo. Bil je "odpuščen" s pikosekundnimi impulzi svetlobe, ki jih proizvaja titan-safirni laser. Posledično so v kristalu rojeni zapleteni pari fotonov, ki so jih znanstveniki poslali na dva različna optična kanala. V eni od njih je bila svetloba s pomočjo toniranega stekla podvržena 20-kratni oslabelosti, zaradi česar se je stopnja zapletanja zmanjšala na skoraj nič. To ustreza stopnji izgube 65 km konvencionalnega optičnega kabla. Potem je bil oslabljen signal poslan v cepilnik splakovalnika, kjer je bil podvržen procesu kvantne katalize. Znanstveniki iz skupine Lvov imenujejo ta proces "kvantno destilacijo", saj je na izhodu manj fotonov,vendar se njihova stopnja zapletov poveča skoraj na izvirnik. "Od milijona šibko zapletenih parov fotonov se zelo zapleteta, hkrati pa se stopnja korelacije povrne v primarno in čeprav se hitrost prenosa podatkov nekoliko zmanjša, lahko dobimo stabilno povezavo na veliko večji razdalji", pravi Alexander Lvov, kolega iz Lvova.

Ne samo za vohune

Na podlagi te tehnologije bo mogoče ustvariti kvantne repetitorje, primerne za komercialno uporabo. "Obstajajo še druge metode, vendar ni jasno, kako jih uporabiti v razmerah obstoječih virov kvantne zapletenosti. Izkazalo se je, da je nesorazmerno drago. Morda bo naš repetitor enostavnejši in cenejši," pravi Lvovsky. Po njegovem mnenju se lahko pod ugodnimi pogoji prvi prototip takega repetitorja ustvari v štirih do petih letih. In njegov videz na trgu lahko odpre pot za resnično množično uporabo kvantne kriptografije, ki bo resno spremenila življenje ne le vojakov ali bankirjev.

"To se nanaša na vsakega od nas. Kvantna kriptografija ni samo vrsta vojaških ali špijunskih skrivnosti, ampak številke kreditnih kartic, to so zdravstveni zapisi.Vsak od nas ima veliko zaupnih podatkov in ko postane svet bolj odprt, bolj je pomembno, da nadzorujemo dostop do nje, "pravi Lvovsky. Uporaba kvantnih metod za prenos ključev za šifriranje lahko resno zaplete življenje vsiljivcev, ki zdaj ne bodo mogli prestrezati in dešifrirati informacije.


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: