Pasipriešinkite išsiskyrusiomis

Pasipriešinkite išsiskyrusiomis

Ilya Ferapontov
"Populiari mechanika" №2, 2016

Didžiausias komunikacijos kanalo ilgis, leidžiantis naudoti kvantinės kriptografijos metodą, yra tik šiek tiek daugiau nei šimtas kilometrų. Mokslininkai iš Rusijos kvantinio centro sukūrė būdą žymiai padidinti šį atstumą.

Įsivaizduokite, kad prieš išsiųsdami el. Laišką draugui turite gauti žemėlapį, išmatuoti atstumą iki miesto, kuriame jis gyvena, o jei pasirodys, kad šis atstumas yra didesnis nei 100 km, jūs pajuokite pieštuką ir popierių ir paimkite įprastą " popieriaus "laiškas – elektroninis paštas daugiau nei 100 km, nevyksta.

Absurdas situacija? Tačiau būtent tai yra dabar, kai kintamųjų duomenų perdavimas per šviesolaidines ryšio linijas – čia registruoto perdavimo atstumas yra tik šiek tiek daugiau nei šimtas kilometrų, o stabili veikimas įprastomis, o ne įrašo eilėmis paprastai yra 40 km. Tai reiškia, kad, pvz., Kvantavimo komunikacijos linija gali būti organizuota Maskvoje, tačiau nieko nereikia galvoti apie duomenų perdavimą Sankt Peterburge. Kokios yra kvantinės kriptografijos perspektyvos telekomunikacijų srityje?

Banknotai ir bloknotai

Kvantinės kriptografijos istorija prasidėjo praėjusio amžiaus devintajame dešimtmetyje, kai Kolumbijos universiteto studentas Steponas Wisneris savo buvusio kolegos studento Charleso Bennet'io apibūdino kvantinių banknotų idėją, kuri iš principo negali būti suklastota, nes tai neleidžia gamtos įstatymai. Idėja buvo įdėti keletą kvantinių objektų į kiekvieną banknotą. Tai gali būti, pavyzdžiui, spąstai su fotonais, kurių kiekvienas polarizuojamas tam tikru kampu vienoje iš dviejų bazių – kampuose 0 ir 90, arba 45 ir 135 laipsnių kampu. Serijos numeris išspausdinamas ant banknoto, tačiau pagal skaičių atitinkančių poliarizacijų ir bazių derinys (filtrai, su kuriais polarizacija pritvirtinama arba išmatuojama polarizuojant) žinomas tik bankui. Norint padirbti tokį banknotą, klastotojas turi matuoti kiekvieno fotono polarizaciją, tačiau jis nežino, kokiu pagrindu kiekvienas iš jų yra poliarizuotas. Jei jis padarė klaidą su baze, tada fotonų poliarizacija pasikeis ir suklastotas banknotas bus neteisingai poliarizuojamas. Kvantiniai pinigai dar nebuvo pasirodę, nes iki šiol neįmanoma sukurti pakankamai patikimų fotonų spąstų.Tačiau tuo pačiu metu Vizner pasiūlė naudoti tą patį principą, kad apsaugotų informaciją, ir ši technologija dabar yra artimas įgyvendinimui.

Tačiau Vizner idėjos nebuvo iš karto pripažintos. Atgal į 1970-ųjų pradžioje Wizner savo žurnalo straipsnį atsiuntė savo straipsnį apie kvantinę kriptografiją IEEE sandoriai dėl informacijos teorijos, bet redaktoriams ir recenzentams, straipsnio kalba atrodė pernelyg sudėtinga. Tik 1983 m. Šis straipsnis buvo paskelbtas žurnale ACM naujienlaiškis "Sigact News", ir ji tapo pirmąja istorine publikacija apie kvantinės kriptografijos pagrindus.

Iš pradžių Vizner ir Bennett apsvarstė galimybę perkelti užkoduotus pranešimus naudodamiesi kvantiniais "nešėjais", o pasiklausymas gali sugadinti pranešimą ir neleisti jo perskaityti. Tada jie sugalvojo patobulintą versiją – vienkartinių "šifro užrašų knygelių" perkėlimo naudojant kvantinius kanalus – šifravimo raktus.

Uždaras vokas

Kvantinės komunikacijos sistemos yra pagrįstos informacinių laikmenų kvantinių savybių naudojimu. Jei įprastuose telekomunikacijų tinkluose duomenys užkoduojami spinduliuotės ar elektrinių svyravimų amplitudėje ir dažnyje, tai kvantiniai tinklai yra užkoduoti elektromagnetinio lauko amplitudėje arba fotonų polarizacijoje.Žinoma, reikės žymiai brangesnės ir sudėtingesnės įrangos, tačiau šie gudrybės yra pateisinami: faktas yra tai, kad informacijos perdavimas per kvantinius kanalus suteikia šimtai procentų apsaugą nuo "persiuntimo". Pagal kvantinės mechanikos įstatymus, kvantinio objekto savybių matavimas, pavyzdžiui, fotonų polarizacijos matavimas, neišvengiamai keičia jo būklę. Gavėjas pamatys, kad fotonų būklė pasikeitė, ir tai iš principo negali būti užkirstas kelias – tai yra pagrindiniai gamtos įstatymai. Tai galima apibūdinti tokia analogu: įsivaizduokite, kad siunčiate laišką uždarame voke. Jei kas nors atidaro laišką ir skaito jį, popieriaus spalva pasikeis, o gavėjas neišvengiamai supras, kad trečiasis skaitė pranešimą.

Pirmasis protokolas

Pirmasis kvantinių raktų paskirstymo protokolas 1984 m. Buvo sukurtas Gilles Brassard ir Charles Bennett ir buvo pavadintas BB84. Duomenų perdavimui naudojami fotonai, poliarizuoti keturiomis skirtingomis kryptimis, dviem bazėmis – 0 ir 90 laipsnių kampu (pažymėti ženklu "+") arba 45 ir 135 laipsnių ("×").

Pranešimo siuntėjas A (tradiciškai tai vadinama "Alice"), kiekvienas fotonas atsitiktinai parinktas pagrindu polarizuojamas ir tada siunčia jį gavėjui B – "Bobas".Bob nustato kiekvieną fotoną, taip pat atsitiktinai pasirinktą pagrindą. Po to Alice per atvirą kanalą pasakoja Bobui apie jo bazių seką, o Bob išmeta netinkamas (nesuderintas) bazes ir praneša Alice, kokie duomenys nebuvo "perduoti". Tuo pačiu metu iš matavimų gautos vertės nėra aptariamos atviro kanalo.

Keitimasis informacija atrodo taip: jei šnipas (paprastai jis vadinamas "Ieva", iš anglų kalbos) slapyvardis – slaptas raktas, jis turės matuoti fotonų polarizaciją. Kadangi jis nežino pagrindo, jis turės jį apibrėžti atsitiktine tvarka. Jei pagrindas nustatomas neteisingai, tada Eve negaus teisingų duomenų, be to, pakeis fotono polarizaciją. Rodomos klaidos tuoj pat aptiks ir Alice, ir Bobą.

Svarbiausia informacija yra šifravimo raktas. Jei raktas turi ilgį, lygų pačiai žinutei ar dar ilgiau, tai iš esmės neįmanoma iššifruoti pranešimo be žinios rakto. Lieka organizuoti saugų raktų perdavimą, ir būtent tai yra ir kvantinės komunikacijos linijos. Tačiau, nors duomenų perdavimo atstumas tokioms linijoms yra per trumpas: dėl šiluminio triukšmo, nuostolių, optinių skaidulų defektų fotonai "išgyvena" dideliais atstumais.

Kvantinės raktos

Daugelis mokslinių tyrimų komandų visame pasaulyje kuria prietaisus "išieškoti" kvantinius duomenis – vadinamiesiems kvantiniams retransliuojantiems, kurie gali "pagyvinti" fotonus. Grupė mokslininkų iš Rusijos Kvantinė centro, vadovaujama profesoriaus Aleksandro Lvovskio, nustatė būdą atkurti fotonų savybes ir eksperimentiniu būdu patvirtino šio metodo efektyvumą. Mokslininkai studijavo kvantinio įsipainiojimo reiškinį, kuriame yra sujungtos dviejų ar daugiau objektų – atomų, fotonų, jonų – būsenos. Jei išmatuojama viena iš susipynusių fotonų poros būsena, antroji būsena tuoj pat tampa apibrėžta, ir abiejų būsenos būsenos bus vienareikšmiškai sujungtos – pavyzdžiui, jei vienas fotonas yra poliarizuotas vertikaliai, tada antrasis yra horizontalus ir atvirkščiai.

Autopsija ausies

Pirmasis sėkmingas kvantinių duomenų perdavimo eksperimentas buvo atliktas Benneto ir Gilles Brassard'o pagalba 1989 m. Spalio pabaigoje, kai 32,5 cm atstumu buvo įrengta saugi kvantavimo komunikacija. Prietaisas pakeitė fotonų polarizaciją, tačiau energijos tiekimas buvo triukšmingas skirtingai, priklausomai nuo kokia polarizacija buvo. Taigi, aplinkiniai žmonės galėtų laisvai atskirti nulius nuo vieno iki ausų.Kaip rašo Brassard, "mūsų prototipas buvo apsaugotas nuo bet kokio slapto kalėjimo, kuris būtų buvęs kurčias". 2007 m. Spalį kvantiniai kriptografijos metodai pirmą kartą buvo naudojami didelio masto projekte. Kvantinė saugi ryšių sistema, kurią sukūrė Šveicarijos kompanija Id Quanquebuvo naudojamas perduoti duomenis apie balsavimo rezultatus parlamento rinkimuose Šveicarijos kantonu Ženevoje. Taigi, Šveicarijos balsai buvo apsaugoti kaip jokios kitos informacijos.

"Jei paskirstysite poras įstrigtų fotonų tarp dviejų nuotolinių partnerių, jie abu gauna tą pačią seką, kurią galima naudoti kaip šifravimo raktą, nes tai yra tikrai atsitiktinė sekcija, kurios negalima įtarti ar apskaičiuoti. Jei kas nors bando žvilgtelėti į įstrigusias fotonus, jų koreliacija bus prarasta, o pagrindinis jų nebebus pašalinamas ", – aiškina Aleksandras Lvovskis.

Iššūkis yra išlaikyti kvantinės būsenos būklę perduodant dideliais atstumais. Kol kas tai buvo didelė problema. Daugiau nei 100 km nuotoliu per optinio pluošto tinklus nebuvo įmanoma perduoti įstrigę fotonai. BapieIlgi atstumai, kvantiniai duomenys yra tiesiog prarasti triukšmo.Įprastuose telekomunikacijų tinkluose naudojami skirtingų tipų retransliuojantys įrenginiai arba signalų stiprintuvai, kurie sustiprina signalo amplitudę ir pašalina triukšmą, tačiau jei tai yra kvantiniai duomenys, šis metodas neveikia. Fotonas negali būti "sustiprintas", bandant išmatuoti jo parametrus, fotono būklė pasikeis, o tai reiškia, kad visi kvantinės kriptografijos privalumai išnyksta.

Kvantinės kartotyros

Įvairių šalių mokslininkai bando sukurti kvantinių retransliuotojų technologiją – įrenginius, kurie gali "atkurti" kvantinę informaciją, nesunaikindami jos. Atrodo, kad "Lviv" grupė atrado kelią, kuris gali būti sėkmingas. Dar 2002 m. Jis ir jo kolegos, pagal analogiją su cheminiu terminu, atrado įdomų efektą, vadinamą "kvantine katalizė", kai tam tikros reakcijos gali vykti tik esant specialiai medžiagai – katalizatoriui. Savo eksperimente šviesos impulsas buvo sumaišytas su "pagalbiniu" atskiru fotonu ant dalinai perduodamo veidrodžio. Tada šis fotonas buvo "pašalintas". Atrodo, kad šviesos impulso būklė neturėtų pasikeisti. Tačiau dėl paradoksalių kvantinių trukdžių savybių fotonas pakeitė kvantavimo savybių "didinimo" kryptį.

"Tuo metu šis reiškinys atrodė ne daugiau kaip įdomus reiškinys, kuris yra daugybė kvantu fizikoje. Dabar paaiškėja, kad jis turi svarbų praktinį pritaikymą – tai leidžia jums rekonstruoti kvantinių šviesos būsenų įsiskverbimą", – sako Aleksandras Lvovskis.

Savo naujame darbe, kurio ataskaita buvo paskelbta žurnale Gamtos fotonika, mokslininkai išmoko iš naujo įstrigti "neišsivysčiusius" fotonus. Eksperimento metu užkimštų fotonų šaltinis naudojo nelinijinį kalio titanilfosfato kristalą su periodine domeno struktūra. Jis buvo "atleistas" per pikosekundinius šviesos impulsus, generuojamus titano-safyro lazeriu. Dėl to kristaluose gimė sudėtingos fotonų poros, kurias mokslininkai išsiuntė į du skirtingus optinius kanalus. Viename iš jų šviesa buvo padengta 20 kartų silpnėjimu, naudojant tonuotą stiklą, dėl kurio įstrigo lygis sumažėjo beveik iki nulio. Tai atitinka 65 km tradicinio optinio pluošto kabelio nuostolių lygį. Tuomet silpnintas signalas buvo išsiųstas į šviesos skirstytuvą, kur jis buvo kvantiškos katalizės procesas. Tokio proceso mokslininkai iš Lvovo grupės vadina šį procesą "kvantine distiliacija", nes mažesni fotonai lieka prie išvesties,bet jų įsiskverbimo lygis padidėja beveik iki pradinio. "Iš milijonų silpnai susipynusių fotonų porų vienas labai susipainioja. Tačiau tuo pat metu koreliacijos lygis yra atkurtas į pirminę, ir nors duomenų perdavimo sparta mažėja, mes galime gauti stabilų ryšį daug didesniu atstumu", – sako Lvovo kolega Aleksandras Lvovas.

Ne tik šnipams

Remiantis šia technologija, bus galima sukurti kvantinius kartotylius, tinkamus naudoti komerciniais tikslais. "Yra ir kitų būdų, tačiau neaišku, kaip juos naudoti esamų kvantinių sukibimo šaltinių sąlygomis. Tai pasirodo esant neproporcingai brangu. Galbūt mūsų kartotuvas bus paprastesnis ir pigesnis, – sako Lvovskis. Jo nuomone, palankiomis sąlygomis pirmasis tokio kartotuvo prototipas gali būti sukurtas per keturis ar penkerius metus. Ir jo išvaizda rinkoje gali atverti kelią tikrai masiniam kvantinės kriptografijos naudojimui, kuris rimtai pakeis ne tik kariuomenės ar bankininkų gyvenimus.

"Tai susiję su kiekvienu iš mūsų. Kvantinė kriptografija yra ne tik tam tikros karinės ar šnipinėjimo paslaptys, tai yra kredito kortelių numeriai, tai yra medicininiai įrašai.Kiekvienas iš mūsų turi daug konfidencialios informacijos, ir kuo atviresnis tampa pasaulis, tuo svarbiau mums kontroliuoti prieigą prie jo ", – sako Lvovskis. informacija.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

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