Przełom w dziedzinie komunikacji kwantowej
W nowoczesnych sieciach informacyjnych dane są przesyłane w postaci strumienia błysków światła wzdłuż światłowodu: jeśli jest błysk - jeden, jeśli nie - zero. Ale taka transmisja informacji nie jest bezpieczna, ponieważ te błyski można dość łatwo „podejrzeć” specjalną techniką, podczas gdy ani odbiorca, ani nadawca nie będą wiedzieć, że wiadomość została przechwycona.
W przypadku wykorzystania komunikacji kwantowej fotony transmitowane są w określonych grupach, a zera i jedynek zapisywane są w specjalny sposób. W przypadku, gdyby ktoś chciał przechwycić list, prawdopodobnie to zrobi, ale to po pierwsze nie pozostanie niezauważone, a po drugie raczej nie przeczyta tej wiadomości.
Po raz pierwszy taki algorytm został wymyślony przez amerykańskiego fizyka Charlesa Bennetta i kanadyjskiego kryptologa Gillesa Brassarda w 1984 roku. Pięć lat później algorytm został zaimplementowany w laboratorium – kryptofotony były transmitowane w powietrzu na odległość trzydziestu centymetrów. Jednak w odniesieniu do zastosowań przemysłowych pierwsze rozwiązania pojawiły się dopiero w latach 2002-2004. Ale do tej pory są bardzo kosztowną przyjemnością, której koszt szacowany jest na setki tysięcy dolarów. Fizyczne podsłuchiwanie kanału komunikacji kwantowej jest niemożliwe, ponieważ jest to sprzeczne z prawami mechaniki kwantowej.
Jednocześnie pojawia się duży problem związany z łączeniem kanałów kwantowych w jedną sieć, ponieważ w węzłach sieci dochodzi do naruszenia kwantowości. Obecnie Unia Europejska rozpoczęła bardzo ambitny projekt globalnej sieci kwantowej o nazwie SECOQC, w której kryptofotony będą konwertowane na bity i przesyłane przez zaufane węzły sieci. Do tej pory z komunikacji kwantowej można było korzystać tylko między dwoma obiektami, a odległość między nimi nie powinna przekraczać 200 kilometrów, ponieważ pojedyncze fotony po prostu nie mogą dotrzeć na duże odległości. Co więcej, im większa odległość, tym mniejsza szybkość przesyłania danych, do kilkuset bitów na sekundę.
Wszystkie istniejące obecnie instalacje wykorzystujące komunikację kwantową ograniczają się do przesyłania kluczy szyfrujących, dlatego bardzo często komunikacja kwantowa nazywana jest „krypto kwantową”. Gdy obiekty otrzymają niezbędne klucze, szyfrują informacje i przesyłają je przez sieć. Ale jednocześnie klucze szyfrowania muszą być bardzo często zmieniane, ponieważ szybkość połączenia pozostaje bardzo niska.
Powstaje pytanie: skoro jest tak wiele problemów z komunikacją kwantową, dlaczego nie można korzystać z programów do szyfrowania otwartego, takich jak PGP i obejść się bez kwantów? Odpowiedź jest prosta: faktem jest, że pomimo całej wygody systemów klucza publicznego, nikt nie może zagwarantować ich niezawodności. Jednocześnie wśród zamkniętych programów są takie, których nawet teoretycznie nie można zhakować, ale jednocześnie konieczne jest wcześniejsze zapewnienie wszystkim stronom niezbędnych kluczy, a w nowoczesnych systemach komputerowych problem ten jest prawie niemożliwy do rozwiązania . Ale można to rozwiązać za pomocą komunikacji kwantowej: aby upewnić się, że nikt nie przechwycił klucza, pomaga fizyka, a niedostępność zaszyfrowanych za jej pomocą danych to matematyka.
Jednocześnie warto wspomnieć, że pojęcie „bezwarunkowego bezpieczeństwa” nie jest do końca poprawne. Tak, potężna technologia komputerowa nie pomoże ci dostać się do tajnych informacji, ale istnieją inne sposoby, na przykład boczne kanały wycieku danych, błędy techniczne lub „ataki trojańskie”.
Entuzjazm fizyków został przeniesiony na przemysłowców, biznesmenów, agencje rządowe. Młodym firmom, które nie były jeszcze w stanie naprawdę sprzedać pierwszych kwantowych „czarnych skrzynek”, oferowane są wielomilionowe fundusze na dalsze badania. Idee komunikacji kwantowej zaczęły bardzo poważnie rozwijać się w świadomości społecznej. Pierwsi pod tym względem byli Szwajcarzy, którzy podczas wyborów parlamentarnych w 2007 roku wykazali korzyści płynące z komunikacji kwantowej. I choć realna korzyść z tego była niewielka, to PR okazał się po prostu wspaniały, bo ludność Szwajcarii jest bardzo odpowiedzialna za proces wyborczy. Dlatego ważne jest dla nich prawidłowe liczenie głosów. A związek między komunikacją kwantową a ochroną wyników wyborów to przemyślany chwyt reklamowy, który zwrócił uwagę nie tylko na komunikację kwantową, ale także na rozwój szwajcarskiej nauki.
Rozwój komunikacji kwantowej trwa bardzo intensywnie. A w maju tego roku pojawiły się informacje, że chińscy fizycy zdołali przesłać fotony na rekordową odległość 97 kilometrów na świeżym powietrzu. Transmisję splątanych fotonów realizowano za pomocą lasera o mocy 1,3 wata. Eksperymenty przeprowadzono nad jeziorem położonym na wysokości 4 tys. m n.p.m. Główny problem w procesie przesyłania fotonów na tak znaczną odległość związany był z poszerzaniem wiązki, dlatego naukowcy zastosowali dodatkowy laser naprowadzający, którym regulowano odbiornik i nadajnik. Ponadto fotony ginęły nie tylko z powodu poszerzenia wiązki, ale także z powodu niedoskonałej optyki i turbulencji powietrza.
Tak czy inaczej, w trakcie 4-godzinnego eksperymentu około 97 splątanych fotonów zostało przesłanych na odległość 1100 kilometrów. Ale według naukowców straty fotonów są dość nieznaczne, więc można założyć, że w niedalekiej przyszłości komunikacja kwantowa może być prowadzona między satelitą komunikacyjnym a stacją naziemną.
Zauważ, że naukowcy prowadzili wcześniej badania nad transmisją splątanych fotonów, ale zasięg transmisji nie był duży - około kilometra. Powodem tego jest oddziaływanie cząstek z ośrodkiem propagacji, a w konsekwencji utrata właściwości kwantowych. Jak widać, transmisja powietrza okazała się wydajniejsza.
Kilka dni po chińskim eksperymencie pojawiła się informacja, że europejskim naukowcom udało się pobić rekord chińskich naukowców, przesyłając splątane fotony na odległość 143 kilometrów. Według autorów eksperyment trwał ponad rok. Powodem tego jest zła pogoda. Wiadomo, że eksperymenty prowadzono na Oceanie Atlantyckim pomiędzy wyspami Teneryfa i La Palma. Podobnie jak w poprzednich badaniach, przekazywanie informacji odbywało się dwoma kanałami – konwencjonalnym i kwantowym.
Obecnie staje się jasne, że osiągnięcia chińskich fizyków odnoszą większe sukcesy. Po raz pierwszy naukowcom udało się wykorzystać komunikację kwantową między bazową stacją naziemną a samolotem lecącym na znacznej wysokości.
Na pokładzie samolotu Do228, lecącego na wysokości 20 kilometrów z prędkością 300 kilometrów na godzinę, znajdował się odbiornik i źródło (laser podczerwony) fotonów. Stacja bazowa wykorzystywała system optyczny, który obejmował system luster z napędami o wysokiej precyzji, aby określić kierunek i położenie samolotu. Po dokładnym ustaleniu wszystkich współrzędnych samolotu, a także układu optycznego odbiornika, wyposażenie stacji mogło określić polaryzację fotonów i wykorzystać te informacje do rozszyfrowania danych kwantowych.
Sesja komunikacyjna trwała około 10 minut. Jednak nie wszystkie przesyłane informacje zostały zaszyfrowane za pomocą kryptografii kwantowej. Metodą kwantową przesyłane były tylko klucze szyfrujące, które zmieniały się po określonej liczbie kilobajtów informacji (około 10 KB), które zostały przesłane zwykłą metodą. Zastosowana metoda transferu klucza nazywa się dystrybucją klucza kwantowego, która wykorzystuje różne polaryzacje fotonów do kodowania jedynek i zer.
Należy również zauważyć, że poziom błędów podczas sesji nie przekroczył 5 proc., co można uznać za duży sukces w dziedzinie komunikacji kwantowej.
Można więc powiedzieć, że naukowcom udało się zbliżyć do stworzenia systemu satelitarnego do komunikacji kwantowej. Jednocześnie zakłada się, że zorganizowanie takiego połączenia będzie wymagało jeszcze mniejszego wysiłku, ponieważ warunki pogodowe mają duży wpływ na powierzchnię ziemi, ale w kierunku pionowym nie powinny być tak znaczące.
Zdaniem ekspertów, jeśli eksperymenty zakończą się sukcesem, kwantowa łączność satelitarna może zostać wykorzystana do zorganizowania bezpiecznej sieci informacyjnej między ambasadami tych stanów, które już posiadają tę technologię.
Jednocześnie istnieje pewna liczba naukowców, którzy uważają, że oprócz zdolności do zapewnienia silnej ochrony przesyłanych informacji, komunikacja kwantowa nie jest w stanie rozwiązać szeregu innych równie ważnych problemów. Tak więc, według Barta Prenela, profesora na Katolickim Uniwersytecie w Leuven, są następujące problemy. Po pierwsze, nadawca korzystający z komunikacji kwantowej musi mieć pewność, że na drugim końcu jest bardzo konkretny odbiorca. Dlatego konieczne jest podanie obu stronom tajnego kodu. Ale jeśli jest to możliwe w przypadku małych, dobrze zaprojektowanych i zorganizowanych węzłów, to komunikacja kwantowa nie może być używana masowo. Po drugie, kryptografia kwantowa nie umożliwia podpisywania dokumentów. Po trzecie, kryptografia kwantowa nie może zagwarantować ochrony informacji, które są już przechowywane. Rzeczywiście, we współczesnych systemach informatycznych najważniejsza jest nie ochrona przesyłanych informacji, ale ochrona węzłów końcowych, w których te informacje będą przechowywane.
Dlatego pod względem zastosowań komercyjnych kryptografia kwantowa przez jakiś czas nie będzie opłacalna.
Użyte materiały:
http://www.dailytechinfo.org/infotech/4016-vpervye-realizovana-kvantovaya-svyaz-mezhdu-letyaschim-samoletom-i-nazemnoy-stanciey.html
http://cybersecurity.ru/it/159210.html/
http://rus.ruvr.ru/2012_05_21/75468427/
http://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%E2%E0%ED%F2%EE%E2%E0%FF_%E7%E0%EF%F3%F2%E0%ED%ED%EE%F1%F2%FC
informacja