Paaiškinkite: kas yra kvantinė komunikacija?

Ponia Tech

Tai antrasis iš kvantinės technologijos paaiškinimų serijos. Kiti du susiję su kvantiniu skaičiavimu ir postkvantine kriptografija.

Vos savaitė nepraeina be pranešimų apie kažkokį naują milžinišką įsilaužimą, atskleidžiantį didžiulį kiekį neskelbtinos informacijos – nuo ​​žmonių kredito kortelių duomenų ir sveikatos įrašų iki vertingos įmonių intelektinės nuosavybės. Kibernetinių atakų keliama grėsmė verčia vyriausybes, kariuomenę ir įmones ieškoti saugesnių informacijos perdavimo būdų.

Šiandien jautrūs duomenys paprastai yra užšifruojami ir siunčiami šviesolaidiniais kabeliais ir kitais kanalais kartu su skaitmeniniais raktais, reikalingais informacijai iššifruoti. Duomenys ir raktai siunčiami kaip klasikiniai bitai – tai elektrinių arba optinių impulsų srautas vienas smėlis 0 s. Ir tai daro juos pažeidžiamus. Išmanieji įsilaužėliai gali nuskaityti ir kopijuoti perduodamus bitus nepalikdami pėdsakų.

Kvantinė komunikacija naudojasi kvantinės fizikos dėsniais, kad apsaugotų duomenis. Šie dėsniai leidžia dalelėms – paprastai šviesos fotonams duomenims perduoti optiniais kabeliais – įgyti superpozicijos būseną, o tai reiškia, kad jos gali atstovauti kelis vienas ir 0 tuo pačiu metu. Dalelės yra žinomos kaip kvantiniai bitai arba kubitai.

Kibernetinio saugumo požiūriu kubitų grožis yra tas, kad jei įsilaužėlis bando juos stebėti gabenant, jų itin trapi kvantinė būsena žlunga į bet kurį vienas arba 0 . Tai reiškia, kad įsilaužėlis negali sugadinti kubitų nepalikdamas signalo apie veiklą.

Kai kurios įmonės pasinaudojo šia savybe, kad sukurtų tinklus labai jautriems duomenims perduoti, remiantis procesu, vadinamu kvantinio rakto paskirstymu arba QKD. Bent jau teoriškai šie tinklai yra itin saugūs.

Kas yra kvantinio rakto paskirstymas?

QKD apima užšifruotų duomenų siuntimą kaip klasikinius bitus per tinklus, o raktai informacijai iššifruoti yra užkoduojami ir perduodami kvantine būsena naudojant kubitus.

QKD įgyvendinimui buvo sukurti įvairūs metodai arba protokolai. Plačiai naudojamas, žinomas kaip BB84, veikia taip. Įsivaizduokite du žmones, Alisą ir Bobą. Alisa nori saugiai siųsti duomenis Bobui. Norėdami tai padaryti, ji sukuria šifravimo raktą kubitų pavidalu, kurių poliarizacijos būsenos atspindi atskiras rakto bitų reikšmes.

Kubitai gali būti siunčiami Bobui per šviesolaidinį kabelį. Lygindami šių kubitų dalies (proceso, vadinamo raktų sijojimu) būsenos matavimus, Alisa ir Bobas gali nustatyti, kad jie turi tą patį raktą.

Kai kubitai keliauja į savo tikslą, kai kurių jų trapi kvantinė būsena žlugs dėl dekoherencijos. Norėdami tai įvertinti, Alisa ir Bobas kitą kartą atlieka procesą, vadinamą rakto distiliavimu, kurio metu apskaičiuojama, ar klaidų lygis yra pakankamai didelis, kad būtų galima manyti, kad įsilaužėlis bandė perimti raktą.

Jei taip, jie atsisako įtariamo rakto ir generuoja naujus, kol įsitikina, kad dalijasi saugiu raktu. Tada Alisa gali naudoti savo duomenis šifruoti ir klasikiniais bitais nusiųsti Bobui, kuris naudoja savo raktą informacijai iššifruoti.

Jau pradedame matyti daugiau QKD tinklų. Ilgiausias yra Kinijoje, kuri gali pasigirti 2 032 kilometrų (1 263 mylių) sausumos jungtimi tarp Pekino ir Šanchajaus. Ją duomenims perduoti jau naudoja bankai ir kitos finansų įmonės. JAV startuolis Quantum Xchange pasirašė sandorį, suteikiantį jam prieigą prie 500 mylių (805 kilometrų) šviesolaidinio kabelio, einančio palei rytinę pakrantę, kad būtų sukurtas QKD tinklas. Pradinis etapas susies Manheteną su Naujuoju Džersiu, kur daugelis bankų turi didelius duomenų centrus.

Nors QKD yra gana saugus, būtų dar saugiau, jei jis galėtų pasikliauti kvantiniais kartotuvais.

Kas yra kvantinis kartotuvas?

Kabeliuose esančios medžiagos gali sugerti fotonus, o tai reiškia, kad jie paprastai gali nukeliauti ne daugiau kaip kelias dešimtis kilometrų. Klasikiniame tinkle signalui sustiprinti naudojami kartotuvai įvairiuose kabelio taškuose, kad tai kompensuotų.

QKD tinklai sugalvojo panašų sprendimą, sukurdami patikimus mazgus įvairiuose taškuose. Pavyzdžiui, tinkle nuo Pekino iki Šanchajaus yra 32 iš jų. Šiose kelio stotyse kvantiniai raktai iššifruojami į bitus ir vėl užšifruojami naujoje kvantinėje būsenoje, kad būtų galima patekti į kitą mazgą. Tačiau tai reiškia, kad patikimais mazgais tikrai negalima pasitikėti: įsilaužėlis, pažeidęs mazgų saugumą, gali nepastebėtas nukopijuoti bitus ir taip įgyti raktą, kaip ir mazgus valdanti įmonė ar vyriausybė.

Idealiu atveju mums reikia kvantinių kartotuvų arba kelio stočių su juose esančiais kvantiniais procesoriais, kurie leistų šifravimo raktams išlikti kvantinėje formoje, kai jie stiprinami ir siunčiami dideliais atstumais. Tyrėjai įrodė, kad iš principo įmanoma sukurti tokius kartotuvus, tačiau jiems dar nepavyko sukurti veikiančio prototipo.

Yra dar viena QKD problema. Pagrindiniai duomenys vis dar perduodami kaip užšifruoti bitai įprastais tinklais. Tai reiškia, kad įsilaužėlis, pažeidęs tinklo apsaugą, gali nukopijuoti bitus nepastebėtas, o tada panaudoti galingus kompiuterius bandydamas nulaužti raktą, naudojamą jiems užšifruoti.

Galingiausi šifravimo algoritmai yra gana tvirti, tačiau rizika yra pakankamai didelė, kad paskatintų kai kuriuos tyrėjus dirbti su alternatyviu metodu, vadinamu kvantine teleportacija.

Kas yra kvantinė teleportacija?

Tai gali atrodyti kaip mokslinė fantastika, tačiau tai tikras metodas, apimantis duomenų perdavimą tik kvantine forma. Šis metodas remiasi kvantiniu reiškiniu, žinomu kaip įsipainiojimas.

Kvantinė teleportacija veikia sukuriant susipynusių fotonų poras ir po vieną iš kiekvienos poros siunčiant duomenų siuntėjui, o kitą – gavėjui. Kai Alisa gauna savo įsipainiojusį fotoną, ji leidžia jam sąveikauti su atminties kubitu, kuriame saugomi duomenys, kuriuos ji nori perduoti Bobui. Ši sąveika keičia jos fotono būseną, o kadangi jis yra įsipainiojęs su Bobo fotonu, sąveika akimirksniu pakeičia ir jo fotono būseną.

Tiesą sakant, tai teleportuoja Alisos atminties kubitą iš jos fotono į Bobo fotoną. Žemiau esančiame paveikslėlyje procesas yra šiek tiek detalesnis:

JAV, Kinijos ir Europos mokslininkai lenktyniauja kurdami teleportacijos tinklus, galinčius paskirstyti įsipainiojusius fotonus. Tačiau jų pritaikymas bus didžiulis mokslinis ir inžinerinis iššūkis. Tarp daugelio kliūčių yra rasti patikimų būdų, kaip pagal poreikį išgauti daug susietų fotonų, ir išlaikyti jų įsipainiojimą labai dideliais atstumais – tai būtų lengviau naudojant kvantinius kartotuvus.

Vis dėlto šie iššūkiai nesutrukdė tyrėjams svajoti apie būsimą kvantinį internetą.

Kas yra kvantinis internetas?

Kaip ir tradicinis internetas, tai būtų visą pasaulį apimantis tinklų tinklas. Didelis skirtumas yra tas, kad pagrindiniai ryšių tinklai būtų kvantiniai.

Tai nepakeis interneto, kaip mes jį žinome šiandien. Kačių nuotraukos, muzikiniai vaizdo įrašai ir daug neskelbtinos verslo informacijos vis tiek bus pateikiami klasikinių fragmentų pavidalu. Tačiau kvantinis internetas patiks organizacijoms, kurioms reikia saugoti ypač vertingus duomenis. Tai taip pat galėtų būti idealus būdas sujungti informaciją, tekančią tarp kvantinių kompiuterių, kurie vis dažniau pasiekiami per skaičiavimo debesį.

Kinija yra kvantinio interneto stūmimo priešakyje. Prieš kelerius metus jis paleido tam skirtą kvantinio ryšio palydovą „Micius“, o 2017 m. palydovas padėjo surengti pirmąją pasaulyje tarpžemyninę QKD apsaugotą vaizdo konferenciją tarp Pekino ir Vienos. Antžeminė stotis jau jungia palydovą su Pekino–Šanchajaus antžeminiu tinklu. Kinija planuoja paleisti daugiau kvantinių palydovų, o keli šalies miestai rengia savivaldybių QKD tinklų planus.

Kai kurie tyrinėtojai perspėjo, kad net visiškai kvantinis internetas galiausiai gali tapti pažeidžiamas naujų atakų, kurios pačios yra kvantinės. Tačiau susidūrę su įsilaužimo ataka, kuri kankina šiandieninį internetą, įmonės, vyriausybės ir kariuomenė ketina toliau tyrinėti viliojančias saugesnės kvantinės alternatyvos perspektyvas.

paslėpti