Paskaidrojiet: Kas ir kvantu komunikācija?

Tehniķa kundze

Šis ir otrais skaidrojumu sērijā par kvantu tehnoloģiju. Pārējie divi ir saistīti ar kvantu skaitļošanu un pēckvantu kriptogrāfiju.

Paiet gandrīz nedēļa bez ziņojumiem par kādu jaunu megauzlauzumu, kas atklāj milzīgu daudzumu sensitīvas informācijas, sākot no cilvēku kredītkaršu datiem un veselības ierakstiem un beidzot ar uzņēmumu vērtīgo intelektuālo īpašumu. Kiberuzbrukumu radītie draudi liek valdībām, militārpersonām un uzņēmumiem izpētīt drošākus informācijas pārsūtīšanas veidus.

Mūsdienās sensitīvie dati parasti tiek šifrēti un pēc tam nosūtīti pa optiskās šķiedras kabeļiem un citiem kanāliem kopā ar digitālajām atslēgām, kas nepieciešamas informācijas atšifrēšanai. Dati un atslēgas tiek nosūtīti kā klasiski biti — elektrisko vai optisko impulsu plūsma viens smiltis 0 s. Un tas padara viņus neaizsargātus. Gudri hakeri var nolasīt un kopēt sūtīšanas bitus, neatstājot pēdas.

Kvantu komunikācija izmanto kvantu fizikas likumus, lai aizsargātu datus. Šie likumi ļauj daļiņām — parasti gaismas fotoniem datu pārraidīšanai pa optiskajiem kabeļiem — iegūt superpozīcijas stāvokli, kas nozīmē, ka tās var pārstāvēt vairākas viens un 0 vienlaikus. Daļiņas ir pazīstamas kā kvantu biti vai kubiti.

Kubitu skaistums no kiberdrošības perspektīvas ir tāds, ka, ja hakeris mēģina tos novērot tranzītā, to īpaši trauslais kvantu stāvoklis sabrūk. viens vai 0 . Tas nozīmē, ka hakeris nevar manipulēt ar kubitiem, neatstājot aiz sevis darbības signālu.

Daži uzņēmumi ir izmantojuši šo īpašumu, lai izveidotu tīklus ļoti sensitīvu datu pārsūtīšanai, pamatojoties uz procesu, ko sauc par kvantu atslēgu izplatīšanu jeb QKD. Vismaz teorētiski šie tīkli ir īpaši droši.

Kas ir kvantu atslēgu sadalījums?

QKD ietver šifrētu datu nosūtīšanu kā klasiskus bitus tīklā, savukārt atslēgas informācijas atšifrēšanai tiek kodētas un pārraidītas kvantu stāvoklī, izmantojot kubitus.

QKD ieviešanai ir izstrādātas dažādas pieejas vai protokoli. Plaši izmantotais, kas pazīstams kā BB84, darbojas šādi. Iedomājieties divus cilvēkus, Alisi un Bobu. Alise vēlas droši nosūtīt datus Bobam. Lai to izdarītu, viņa izveido šifrēšanas atslēgu kubitu veidā, kuru polarizācijas stāvokļi atspoguļo atslēgas atsevišķās bitu vērtības.

Kubitus var nosūtīt Bobam, izmantojot optiskās šķiedras kabeli. Salīdzinot šo kubitu daļas stāvokļa mērījumus — procesu, kas pazīstams kā atslēgu sijāšana — Alise un Bobs var noteikt, ka viņiem ir viena un tā pati atslēga.

Kubitiem ceļojot uz galamērķi, dažu no tiem trauslais kvantu stāvoklis sabruks dekoherences dēļ. Lai to ņemtu vērā, Alise un Bobs nākamreiz veic procesu, kas pazīstams kā atslēgas destilācija, kurā tiek aprēķināts, vai kļūdu līmenis ir pietiekami augsts, lai liktu domāt, ka hakeris ir mēģinājis pārtvert atslēgu.

Ja tā ir, viņi atsakās no aizdomīgās atslēgas un turpina ģenerēt jaunas, līdz ir pārliecināti, ka viņiem ir kopīga droša atslēga. Pēc tam Alise var izmantot savus datus, lai šifrētu datus un nosūtītu tos klasiskajos bitos Bobam, kurš izmanto savu atslēgu, lai atšifrētu informāciju.

Mēs jau sākam redzēt, ka parādās vairāk QKD tīklu. Garākais ir Ķīnā, kas lepojas ar 2032 kilometru (1263 jūdžu) sauszemes savienojumu starp Pekinu un Šanhaju. Bankas un citi finanšu uzņēmumi to jau izmanto datu pārsūtīšanai. ASV jaunuzņēmums Quantum Xchange ir panācis vienošanos, piešķirot tam piekļuvi 500 jūdzēm (805 kilometriem) optiskās šķiedras kabeļa, kas iet gar austrumu krastu, lai izveidotu QKD tīklu. Sākotnējais posms savienos Manhetenu ar Ņūdžersiju, kur daudzām bankām ir lieli datu centri.

Lai gan QKD ir salīdzinoši drošs, tas būtu vēl drošāk, ja tas varētu paļauties uz kvantu atkārtotājiem.

Kas ir kvantu atkārtotājs?

Kabeļos esošie materiāli var absorbēt fotonus, kas nozīmē, ka tie parasti var pārvietoties ne vairāk kā dažus desmitus kilometru. Klasiskā tīklā signāla pastiprināšanai tiek izmantoti retranslatori dažādos kabeļa punktos, lai to kompensētu.

QKD tīkli ir nākuši klajā ar līdzīgu risinājumu, veidojot uzticamus mezglus dažādos punktos. Piemēram, tīklā no Pekinas uz Šanhaju ir 32 no tiem. Šajās ceļu stacijās kvantu atslēgas tiek atšifrētas bitos un pēc tam atkārtoti šifrētas jaunā kvantu stāvoklī, lai tās varētu pāriet uz nākamo mezglu. Taču tas nozīmē, ka uzticamiem mezgliem īsti nevar uzticēties: hakeris, kurš ir pārkāpis mezglu drošību, varētu neatklāti kopēt bitus un tādējādi iegūt atslēgu, tāpat kā uzņēmums vai valdība, kas pārvalda mezglus.

Ideālā gadījumā mums ir nepieciešami kvantu atkārtotāji vai maršruta stacijas ar kvantu procesoriem, kas ļautu šifrēšanas atslēgām palikt kvantu formā, kad tās tiek pastiprinātas un nosūtītas lielos attālumos. Pētnieki ir pierādījuši, ka principā ir iespējams uzbūvēt šādus atkārtotājus, taču viņi vēl nav spējuši izveidot funkcionējošu prototipu.

Ir vēl viena problēma ar QKD. Pamatdati joprojām tiek pārsūtīti kā šifrēti biti parastajos tīklos. Tas nozīmē, ka hakeris, kurš pārkāpis tīkla aizsardzību, var neatklāti kopēt bitus un pēc tam izmantot jaudīgus datorus, lai mēģinātu uzlauzt to šifrēšanai izmantoto atslēgu.

Visjaudīgākie šifrēšanas algoritmi ir diezgan izturīgi, taču risks ir pietiekami liels, lai mudinātu dažus pētniekus strādāt pie alternatīvas pieejas, kas pazīstama kā kvantu teleportācija.

Kas ir kvantu teleportācija?

Tas var izklausīties pēc zinātniskās fantastikas, taču tā ir reāla metode, kas ietver datu pārsūtīšanu pilnībā kvantu formā. Šī pieeja balstās uz kvantu fenomenu, kas pazīstams kā sapīšanās.

Kvantu teleportācija darbojas, izveidojot sapinušies fotonu pārus un pēc tam vienu no katra pāra nosūtot datu sūtītājam, bet otru adresātam. Kad Alise saņem savu sapinušo fotonu, viņa ļauj tam mijiedarboties ar atmiņas kubitu, kurā ir dati, kurus viņa vēlas pārsūtīt Bobam. Šī mijiedarbība maina viņas fotona stāvokli, un, tā kā tas ir sapinies ar Boba fotona stāvokli, mijiedarbība uzreiz maina arī viņa fotona stāvokli.

Faktiski tas teleportē Alises atmiņas kubitu datus no viņas fotona uz Boba fotonu. Tālāk esošajā grafikā process ir aprakstīts nedaudz sīkāk:

Pētnieki ASV, Ķīnā un Eiropā sacenšas, lai izveidotu teleportācijas tīklus, kas spēj izplatīt sapinušos fotonus. Taču to mērogošana būs milzīgs zinātnisks un inženiertehnisks izaicinājums. Daudzi šķēršļi ietver uzticamu veidu atrašanu, kā pēc pieprasījuma izspiest daudz saistītu fotonu, un saglabāt to sapīšanu ļoti lielos attālumos — kaut ko atvieglotu kvantu atkārtotāji.

Tomēr šie izaicinājumi nav atturējuši pētniekus sapņot par nākotnes kvantu internetu.

Kas ir kvantu internets?

Tāpat kā tradicionālais internets, tas būtu tīklu tīkls, kas aptver visu pasauli. Lielā atšķirība ir tā, ka pamatā esošie sakaru tīkli būtu kvantu tīkli.

Tas neaizstās internetu, kā mēs to zinām šodien. Kaķu fotoattēli, mūzikas videoklipi un liela daļa nesensitīvas biznesa informācijas joprojām tiks pārvietota klasisko fragmentu veidā. Taču kvantu internets patiks organizācijām, kurām ir jāuztur īpaši vērtīgi dati. Tas varētu būt arī ideāls veids, kā savienot informāciju, kas plūst starp kvantu datoriem, kas arvien vairāk tiek darīti pieejami, izmantojot skaitļošanas mākoni.

Ķīna atrodas kvantu interneta virzības priekšgalā. Tas pirms dažiem gadiem palaida speciālu kvantu sakaru satelītu ar nosaukumu Micius, un 2017. gadā satelīts palīdzēja sarīkot pasaulē pirmo starpkontinentālo QKD nodrošināto videokonferenci starp Pekinu un Vīni. Zemes stacija jau savieno satelītu ar Pekinas-Šanhajas virszemes tīklu. Ķīna plāno palaist vairāk kvantu satelītu, un vairākas valsts pilsētas plāno pašvaldību QKD tīklus.

Daži pētnieki ir brīdinājuši, ka pat pilnībā kvantu internets galu galā var kļūt neaizsargāts pret jauniem uzbrukumiem, kas paši ir balstīti uz kvantiem. Taču, saskaroties ar uzlaušanas uzbrukumu, kas nomoka mūsdienu internetu, uzņēmumi, valdības un militārpersonas turpinās pētīt vilinošas drošākas kvantu alternatīvas iespējas.

paslēpties