Ķīnas satelīts izmanto kvantu kriptogrāfiju drošai videokonferencei starp kontinentiem

Pateicoties fizikas likumiem, kvantu kriptogrāfija nodrošina drošu saziņu. Un tas kļūst arvien svarīgāks.

Fiziķi jau sen ir zinājuši, ka kvantu datori spēs izjaukt gandrīz visus citus kriptogrāfijas veidus. Tā kā šīs ierīces kļūst arvien spējīgākas, parastajai šifrēšanai ir uzraksts uz sienas. Tātad komerciālie uzņēmumi, valdības un militārpersonas ar aizturētu elpu gaida, kad tiks izstrādātas praktiskas kvantu kriptogrāfijas sistēmas.

Bet ir problēma. Kvantu kriptogrāfija balstās uz atsevišķiem fotoniem, lai pārvadātu kvantu informāciju. Bet pat labākās optiskās šķiedras šos fotonus var pārvadāt tikai tik tālu — aptuveni 200 kilometrus —, pirms gaismas absorbcija padara procesu neiespējamu. Tātad kvantu kriptogrāfija nekad nav darbojusies daudz lielākos attālumos.

Mūsdienās tas mainās, pateicoties ārkārtējam ķīniešu satelītam, kas palaists 2016. gadā. Satelīts Micius ir sasniedzis vairākus pagrieziena punktus gada laikā kopš tā darbības sākuma. Pagājušajā vasarā tas teleportēja pirmo objektu no Zemes uz orbītu — vienu fotonu.

Tagad satelīts ir izveidojis pirmo starpkontinentālo kvantu kriptogrāfijas pakalpojumu. Pētnieki ir pārbaudījuši sistēmu, izveidojot drošu videokonferenci starp Eiropu un Ķīnu. Pirmo reizi šīs videokonferences drošību garantēja fizikas likumi.

Metode ir vienkārša. Lai garantētu privātumu, kvantu kriptogrāfija balstās uz tā saukto vienreizējo spilventiņu. Šī ir nejaušu skaitļu kopa — atslēga, ko divas puses var izmantot, lai kodētu un atšifrētu ziņojumu.

Tradicionāli problēma ar vienreizējiem paliktņiem ir nodrošināt, ka tie ir tikai raidītājam un uztvērējam. Kā abas puses var būt pārliecinātas, ka neviens noklausītājs nav nokopējis atslēgu, kamēr tā tiek izplatīta?

Šī problēma ir glīti atrisināta, nosūtot atslēgu, izmantojot kvantu daļiņas, piemēram, fotonus, jo vienmēr ir iespējams pateikt, vai kvantu daļiņa ir iepriekš novērota. Ja tā ir, atslēga tiek pamesta un tiek nosūtīta cita, līdz abas puses ir pārliecinātas, ka viņu īpašumā ir nenovērots vienreizējais paliktnis.

Tā ir kvantu atslēgu sadale — izšķirošais process kvantu kriptogrāfijas pamatā. Kad abām pusēm ir atslēga — vienreizējais bloks, viņi var sazināties, izmantojot parastos klasiskos kanālus ar nevainojamu drošību.

Satelīts Micius vienkārši izplata šo atslēgu no orbītas. Tā kā tas atrodas saules sinhronā orbītā virs poliem, satelīts katru dienu šķērso katru Zemes virsmas daļu aptuveni vienā un tajā pašā vietējā laikā.

Tātad, kad satelīts atrodas virs Ķīnas zemes stacijas Ksinglongā Ķīnas ziemeļu Hebei provincē, tas nosūta uz zemi vienreizējo spilventiņu, kas kodēts atsevišķos fotonos, izmantojot vispāratzītu protokolu. Kad Zeme griežas zem satelīta un parādās zemes stacija Grācā Austrijā, Micius nosūta to pašu vienreizējo uztvērēju tur.

Abām vietām ir viena un tā pati atslēga, kas ļauj uzsākt pilnīgi drošu saziņu, izmantojot klasisko saiti.

Tomēr eksperiments iet vēl vienu soli tālāk. Mērķis bija izveidot videokonferenci starp Ķīnas Zinātņu akadēmiju Pekinā un Austrijas Zinātņu akadēmiju Vīnē, tāpēc atslēga ir droši jāsadala abās šajās vietās. Un šim nolūkam komandas izmanto uz zemes balstītu kvantu komunikāciju, izmantojot optiskās šķiedras.

Visbeidzot, viņi izveidoja video saiti, ko nodrošina uzlabotais šifrēšanas standarts (AES), kas katru sekundi tiek atsvaidzināts ar 128 bitu sākuma kodiem. Septembrī viņi sarīkoja novatorisku videokonferenci, kas ilga 75 minūtes ar kopējo datu pārraidi aptuveni divu gigabaitu apmērā.

Mēs esam demonstrējuši starpkontinentālo kvantu komunikāciju starp vairākām vietām uz Zemes ar maksimālo attālumu 7600 kilometru, saka komandas, kuras vada Antons Zeilingers no Vīnes universitātes un Dzjans-Vei Pans no Ķīnas Zinātnes un tehnoloģijas universitātes. Hefei, Ķīna.

Sistēmā ir daži iespējamie trūkumi, ar kuriem jāstrādā turpmāk. Iespējams, vissvarīgākais ir tas, ka satelīts tiek uzskatīts par drošu laikā, kas nepieciešams, lai savienotu divas zemes stacijas. Tā var būt taisnība — kurš varētu uzlauzt orbītā esošu satelītu? — taču šo drošību negarantē fizikas likumi. Tomēr komandas saka, ka to var risināt turpmākajos projektos, izmantojot pilnīgu kvantu releju.

Lai kādi būtu trūkumi, šis ir iespaidīgs darbs. Tas ir principiāls drošas komunikācijas pierādījums globālā mērogā. Mūsu darbs norāda uz efektīvu risinājumu īpaši liela attāluma globālam kvantu tīklam, liekot pamatu nākotnes kvantu internetam, saka Zeilingers, Jian-Wei un viņu kolēģi.

Daudzas valdības, militārie operatori un komerciālie uzņēmumi vēlas iegūt līdzīgu iespēju. Tāpēc noteikti nepaies ilgs laiks, kad satelīta Micius komerciālās versijas pārdos šāda veida drošus sakarus visā pasaulē. Ar Ķīnu priekšgalā.

Atsauce: arxiv.org/abs/1801.04418 : satelītu pārraides starpkontinentālais kvantu tīkls

paslēpties