Ce este criptografia cuantică și de ce este necesar?
Ideea principală a criptografiei cuantice - transmite informația astfel încât era imposibil să intercepteze. Mai mult decât atât, ar trebui să fie posibil, nu pentru că algoritmii de criptare sunt prea complicate, și nu din cauza faptului că atacatorul nu are suficientă putere de procesare. Construim un sistem de transmitere a datelor, astfel încât încălcarea legilor fizicii.
Dacă vom reuși un sistem care ar putea rupe potential atacator, avem nevoie pentru a face schimb de date cu mod de încredere. Acesta poate fi, de exemplu, deciziile referitoare la finanțe, secret comercial, sarcini publice, și așa mai departe. Criptografia cuantica, comunicare cuantica si comunicare cuantice rezolva problema, astfel încât informațiile de interceptare restricționată interzice natura însăși. Semnalele sunt transmise prin linii de comunicație care nu sunt în forma clasică, și folosind flux de fotoni. Un foton nu poate fi divizată sau măsurată, copia sau în liniște la o parte. Este pentru acest descompune în mod clar în jos și nu ajunge la gazdă.
Întrebarea cheie este cum să facă acest lucru în mod eficient, pentru că noi nu folosim un sistem perfect, și legături fizice - o fibră optică sau un spațiu deschis. În drum spre destinatar pe un foton poate afecta o mulțime de factori care pot distruge. Din moment ce vorbim despre aplicarea practică, suntem interesați de rata de transfer de date între aceste sisteme și distanța maximă la care putem răspândi nodurile. Acestea sunt principalele lucruri pentru abordări diferite, idei și principii de construcție a sistemelor de criptografiei cuantice: eficiența canalului de lățime de bandă de transmisie de date și reducerea numărului de repetoare, și cel mai important - cel mai înalt nivel de securitate și a canalului de siguranță. În centrul criptografiei cuantice este ideea că un atacator ar putea încerca să facă orice, utilizați oricare dintre instrumentele și echipamentele - chiar dacă tehnica noilor veniți, dar pentru a intercepta datele nu ar trebui. Și pe principiul de bază deja „sunt înfășurate“ soluții tehnice.
Pe ce principii fizice bazate pe comunicare cuantică?
Există mai multe scheme de punere în aplicare a acestor principii, abordări diferite, ceea ce face capacitățile lor de a crește viteza și gama de mesagerie. Sistemele criptografia cuantică au produs mult timp de către societățile comerciale. Dar, Universitatea din experți IFMO a propus un nou principiu care altfel ar fi formulat conceptul de stare cuantica, „metoda de preparare“ a unui foton ca o porțiune de radiații, pentru a face mai rezistent la influențe externe, sistemul de comunicare nu necesită mijloace suplimentare de organizare a transferului durabil și care nu sunt îndeplinite restricțiile explicite privind semnal de modulație de viteză de la expeditor și destinatar. Noi aducem semnale cuantice în așa-numitele frecvențe laterale, se poate îmbunătăți în mod semnificativ capacitatea de a evalua și de a elimina limitările evidente de distanță inerente în schemele deja adoptate.
Pentru a înțelege diferența dintre metoda dvs., toate acestea, putem începe cu schemele clasice de principii de lucru.
De obicei, oamenii care construiesc un sistem de comunicare cuantic, de a genera un puls slab, echivalentă sau aproape de energia unui singur foton, și trimite-l printr-o legătură de comunicații. Pentru a codifica informații cuantice într-un impuls, de modulare a semnalului se efectuează - schimbarea stării de polarizare sau de fază. Dacă vorbim despre linii de fibră optică, pentru ca acestea să folosească stările de fază mai eficient, deoarece pentru a păstra și transmite polarizarea ei nu știu.
fotonica, în general, în fază - un cuvânt argotic care a venit cu experimentatori în domeniul fizicii cuantice. Photon - o particulă, nu are faze, dar face parte dintr-un val. O fază a undei - o caracteristică care prezintă unele domeniu de stat detuning a undei electromagnetice. Dacă vă imaginați modul în care o undă sinusoidală pe planul de coordonate, își schimbă poziția sa în raport cu originea corespund anumitor stări de fază.
În cuvinte simple, atunci când o persoană este de mers pe jos, pas - un proces care se repetă într-un cerc, el, de asemenea, există o perioadă, ca un val. Dacă doi oameni sunt în etapa - faza a meciului, în cazul în care nu ține pasul - diferitele stări de fază. Dacă cineva începe să se miște în mijlocul celorlalte etape, măsurile pe care le sunt în antifază.
Pentru a codifica informații cuantice într-un puls, cu ajutorul unui dispozitiv de modulare care schimbă val, și pentru a măsura trecerea, vom adăuga acest val cu aceeași și a vedea ce se întâmplă. În cazul în care valurile sunt de fază, cele două valori se suprapun și se anulează reciproc, de ieșire vom ajunge la zero. Dacă am ghicit, se adaugă undă sinusoidală, creșterile de câmp și semnalul rezultat devine de mare. Aceasta se numește interferență constructivă a radiației, poate fi ilustrată prin aceiași pași umani.
La începutul secolului trecut, în Petersburg egiptean Podul sa prăbușit, când a mărșăluit un pluton de soldați. Dacă luați doar suma tuturor etapelor, în scopul de a distruge podul, energia nu este suficient. Dar când pașii ajunge în ritmul, interferența se produce, sarcina este crescută, iar podul nu poate sta. Deci, acum soldații dacă merg peste pod, a dat comanda pentru a aduce în jos gazonul - nu merg în sus.
Deci, dacă presupunerile noastre sunt potrivite fază și semnalul este crescut, apoi faza de fotoni am măsurat corect. În sistemele de comunicare convenționale utilizează interferometrele cuantice distribuite, și determină informația cuantică a poziției defazajului de undă. Pune-l în practică este dificil - link-ul poate fi încălzit și răcit, pot fi prezente vibrație, toate acestea modifică calitatea transmisiei. faza val începe să se schimbe, iar noi nu știm dacă expeditorul, pentru că „modulat“, fie că este vorba de zgomot.
Iar diferența dintre utilizarea frecvențelor de banda?
Principiul nostru este că vom trimite un link către o gamă specială. Acest lucru poate fi comparat cu muzica - în spectrul de frecvențe muzicale multe, și fiecare are sunet. Aici este aproximativ la fel: avem un laser care generează impulsuri la doar o singură frecvență, sărind peste puls prin modulator de fază electro-optice. În modulator un semnal de la o altă frecvență, o undă sinusoidală de bază semnificativ mai mici, rezultând în nici o codificare este realizată, iar parametrii auxiliari sinusoidei - deplasările sale de fază de frecvență, poziția de fază. Noi transmite informații cuantice detuning de frecvențe suplimentare în spectrul de impulsuri în ceea ce privește frecvența centrală.
O astfel de criptare devine mult mai fiabile, deoarece spectrul este transmis prin linii de comunicație cu un singur impuls, iar în cazul în care mediul de transmisie introduce o schimbare întreaga lor suferă pulsul în întregime. Putem adăuga, de asemenea, mai mult de o frecvență, dar mai multe, și un flux de fotoni unice putem sprijini, de exemplu, cinci canale. Ca urmare, nu avem nevoie de interferometru în mod explicit - este „cusut“, într-un puls, nu este nevoie de un sisteme de compensare a defectelor în linie, nu există restricții privind viteza și intervalul de transmitere a datelor și utilizarea eficientă a liniilor de comunicare - nu 4%, așa cum este cazul cu clasic abordări, și până la 40%.
Acest principiu a venit cu cercetătorul șef la Centrul de informare și tehnologii optice ITMO Universitatea Yuri Mazurenko. Acum, codificarea informației cuantice în frecvențele laterale sunt de asemenea în curs de dezvoltare două grupuri de oameni de știință din Franța și Spania, dar în sistemul de formă și plin cel mai extins este implementat în țara noastră.
Așa cum teoria întruchipată în practică?
Toate acestea înțelepciune cuantică necesare pentru formarea unei chei secrete - o secvență aleatoare, pe care le amesteca cu datele pentru a fi în cele din urmă, era imposibil să intercepteze. Principiul de funcționare al sistemului de transport sigur echivalent VPN-router, suntem pavarea Internet printr-o rețea LAN externă, astfel încât să nu plesnire. Am stabilit cele două dispozitive, dintre care fiecare are un port care se conectează la un computer și portul, care „arată“ în lumea exterioară. Expeditorul preia datele de pe dispozitivul de intrare lor și în siguranță, cifrează transmite prin lumea exterioară, al doilea partid primește semnalul, decodează și transmite la destinatar.
Să presupunem că, un astfel de dispozitiv este de cumpărare banca, este instalat în camera de server și este folosit ca un comutator. Înțeleagă funcționarea băncii nu este necesar - trebuie doar să știi că, din cauza bazele fizicii cuantice obținut un astfel de grad de securitate și de încredere la linia, care este un ordin de mărime mai mare decât media de transmitere a informațiilor clasice.
Așa cum se întâmplă de criptare?
Aparatul este un generator de numere aleatoare (fizică și nu pseudo-RNG) și fiecare dispozitiv setează starea cuantică a fotonilor la întâmplare. În comunicarea cuantică expeditor se numește „Alice“, iar destinatarul - „Bob“ (A și B). Să presupunem Alice si Bob alege o stare cuantică corespunzătoare 0, faza a radiației optice a coincis detector de nivel înalt de semnal la strung și fotoni de sarcină Bob. Dacă Alice a ales 0, 1 și Bob și detector de fază diferite nu funcționează. Apoi, partea de primire spune, atunci când fazele coincid, de exemplu, în prima, a cincea, a cincisprezecea, o sută cincizeci și cincea roți dințate, în alte cazuri au fost fie nu sunt atinse faze sau fotoni diferite. Pentru cheia vom lăsa doar ce potrivire. Atât Alice și Bob știu că au coincis de transport 1, 5, 15 și 155, dar în același timp, care au trecut - 0 sau 1 - Numai ei știu și nimeni altcineva.
Să presupunem că vom apărea o monedă, iar a treia persoană va spune că am căzut în partea de linie sau nu. Am avut cozile, ni sa spus că monedele se potrivesc, și voi ști că, de asemenea, a avut cozile. Cu toate acestea, în criptografie cuantică, dar cu o singură condiție: a treia parte nu știe exact ceea ce am căzut - capete sau cozi, dar o știm. Alice si Bob sunt tezaurizării aleatoare, dar biți identice pentru a le impune mesajul și a obține cifrul perfectă: secvență complet aleator, plus un mesaj semnificativ încă de secvență complet aleator.
De ce intrus nu se va transforma hack sistemul?
Un foton, ea nu poate fi divizată. În cazul în care este scos din linia, Bob va obține nimic, detector de fotoni nu funcționează, atât expeditorul și destinatarul pur și simplu nu va folosi acest bit în cheie. Da, un atacator poate intercepta fotonii, dar bitul care este criptat, nu este utilizat în transmiterea, este inutil. Copiați fotonul nu este posibil, de asemenea, - măsurată în orice caz, se descompune, chiar și atunci când măsurile fotonice utilizatorul legitim.
Există mai multe moduri de utilizare a acestor sisteme. Pentru a obține o protecție perfectă lungime cheie ar trebui să fie egală cu lungimea mesajului bit cu bit. Dar chiar și acestea pot fi utilizate pentru a îmbunătăți în mod semnificativ calitatea cifruri clasice. Atunci când există un amestec de cifru clasice și cuantice biți, puterea cifru creste exponential, mult mai repede decât dacă vom crește pur și simplu numărul de biți în cheia.
Să presupunem că banca oferă clientului cu un card pentru a avea acces la client on-line, termenul-cheie în viața cardului - an (se crede că în acest timp cheia este compromisă). Sistemul criptografia cuantică permite pe zbor pentru a schimba cheile de criptare - o sută de ori pe secundă, de o mie de ori pe secundă.
Ambele moduri sunt posibile, în cazul în care avem nevoie pentru a transfera datele extrem de confidențiale. Într-un astfel de caz, ele pot codifica un pic de biți. Dacă dorim să crească în mod semnificativ gradul de protecție, dar păstrează rata mare de transfer, atunci vom amesteca chei clasice si cuantice, și a obține ambele beneficii - de mare viteză și o protecție ridicată. Rata specifică aceleași date depinde de condițiile utilizate și modurile de cod de cifru.
Intervievat de Aleksandr Pushkash,
Editorial știri Universitatea ITMO
