Актуальный метод криптографий, основанный на квантовых свойствах фотонов



В свете последних технологических прогрессов, а именно направление на создание квантовых компьютеров, обладающих более высокой вычислительной способностью, чем современные компьютеры, появилась новая бурно развивающееся направление науки — Квантовая криптография или квантовая передача информаций по совершенно безопасному каналу. Несмотря на то, что сегодня уже имеются коммерчески доступные устройства квантовой криптографий, научная компонента в этой области до сих пор прогрессирует.

С момента рождения интернета 29 октября 1969 года, когда была произведена первая в мире передача информаций между Калифорнийском университетом Лос-Анджелеса и Стэндфордским исследовательским институтом, остро встал вопрос защиты и конфиденциальности передаваемой информации.

Современные методы защиты информация и предоставления конфиденциальности улучшаются с каждым днем, так же как и методы их обхода или взлома. И решением главной проблемы криптографий сохранности информаций является квантовая криптография, предоставляющая безусловную секретность при передаче и приеме данных.

Кодирование информации в квантовых состояниях впервые было предложено в работах Стефана Визнера, а также Чарльза Беннета и Жиля Брассарда. Когда в 1989 году в Нью-Йорке, в Исследовательском Центре IBM, в офисе теоретика Чарльза Беннетта был построен первый рабочий квантовый компьютер, а также была также создана первая в мире квантовая криптосистема информация, в которой кодировалась состояниям отдельных фотонов, испускаемых лазером.

Теоретически абсолютно безопасной криптосистемой является схема одноразового блокнота, к которой наиболее близко из всех возможных на сегодня позиционируется система квантового распределения ключей (КРК). Возможной в реализаций эта система стала после появления на рынке лавинных фотодиодов (ЛФД) с большим коэффициентом лавинного размножения М, способных работать в режиме счета фотонов.

Квантовая криптография обеспечивает возможность относительно быстрой смены ключей и определения попыток злоумышленника вторгнуться в канал связи. Подчеркнем, что наличие ошибок при передаче/приеме квантовых состояний не обязательно приводит к потере секретности. Для каждого протокола КК существует критическая ошибка, превышение которой больше не гарантирует секретности. Если уровень ошибок, обычно измеряемый в процентах, ниже критического, то для извлечения ключа используются протоколы коррекции ошибок (error correction) и последующего сжатия оставшейся строки битов (privacy amplification). После выполнения этих протоколов исходная строка битов укорачивается, однако гарантируется, что злоумышленник имеет о ней столь мало информации, сколько пожелают легитимные пользователи.

Таким образом, квантовая криптография и передача информаций, основывается на степенях свободы однофотонного электромагнитного поля — фаза, частота, поляризация, временной интервал. Фотоны — наиболее удобные квантово-механические объекты для использования в квантовой криптографий, поскольку они распространяются с предельно высокой скоростью и обладают набором степеней свободы для осуществления кодирования. Кроме того имеющиеся телекоммуникационные технологии позволяют использовать ряд классических методов для генерации, преобразований и контроля однофотонных состояний.

На сегодняшний день существует несколько рабочих протоколов в квантовой криптографий. Под протоколом понимается совокупность действий (таких как инструкции, команды, вычисления, алгоритмы), выполняемых в заданной последовательности двумя или более легитимными субъектами с целью достижения некоего результата. Известно несколько протоколов распределения ключей на основе дискретных квантовых состояний. В целом, их можно разбить на две группы. В первую входят протоколы квантовой криптографий, оперирующие с неортогональными квантовыми состояниями. Наиболее известные из них: ВВ84, В92, SARG. Во вторую — протоколы, основанные на так называемых перепутанных квантовых состояниях и проверке выполнения соотношений типа неравенства Белла. Под перепутанными понимают состояния составной системы, волновую функцию которых (для чистых состояний) нельзя выразить через волновые функции подсистем. Другими словами, такое состояние составной системы полностью определено (оно описывается волновой функцией, и энтропия фон Неймана равна нулю), а состояния подсистем полностью неопределенны (они находятся в смешанном состоянии, и их энтропия достигает максимального значения). Наиболее известный протокол на перепутанных состояниях — протокол А.Экерта или Е91. В основе отдельной группы протоколов КК лежит кодирование информации в квадратурные амплитуды моды квантованного электромагнитного поля.

Секретность системы основана не на трудности обработки, как классической, так и квантовой, а непосредственно на свойствах квантовой интерференции: именно она дает этой системе абсолютную секретность, которую невозможно обеспечить с помощью классических методов. Никакой объем будущих вычислений, ни на каком компьютере через миллионы или триллионы лет не поможет тому, кто хотел бы подслушать послания, закодированные квантовым методом: поскольку, если кто-либо общается через среду, демонстрирующую интерференцию, то он сможет обнаружить подслушивающих его людей. То есть если кто-либо попытается перехватить информацию в квантовой среде, он неизменно повлияет на систему и на последующие интерференционные свойства.

При передаче данных обе стороны, принимающая и передающая, ставят повторяющиеся эксперименты по интерференции, согласуя их через общественный канал связи. Только когда интерференция пройдет проверку на отсутствие подслушивающих, они переходят к следующей стадии протокола, состоящей в том, чтобы использовать некоторую часть переданной информации в качестве криптографического ключа. В худшем случае упорный подслушивающий может помешать связи состояться (хотя, безусловно, этого проще достичь, перерезав телефонную линию). Но что касается чтения сообщения, это может сделать только получатель, для которого оно предназначено, это гарантируют законы физики.

Каналами связи в квантовой криптографий, по которым передающая и принимающая стороны обмениваются квантовыми состояниями, могут выступать как волоконно-оптические каналы, атмосфера, и так называемый “открытый” канал связи. Открытым называется канал, если передаваемая по нему информация может быть доступна любому участнику протокола. Таким каналом может выступать, например, Интернет.

Одним из наиболее значимых событий для квантовой криптографий в волоконно-оптической связи стало создание однофотонного детектора, способного фиксировать единичные фотоны, передаваемые через волоконно-оптические кабели с эффективностью 99 %. Этого достигают за счет повышенной согласованности детектора и оптических волокон. Принцип работы детектора заключается в использовании сверхпроводника как ультрачувствительного термометра. Каждый удар фотона повышает температуру датчика и увеличивает электрическое сопротивление. Отсутствие ложных срабатываний отличает его от других типов детекторов, имеющих очень высокий коэффициент усиления. Причина в том, что их уровень шума таков, что иногда шум ошибочно идентифицируется как фотон. Это приводит к погрешности в измерениях. Детектор предназначен для области электронной связи и квантовых измерений мощности оптического излучения.

Выводы: Кто бы мог подумать, что идея выпуска «Квантовых денег» предложенная С.Визнером в 1970 году станет толчком к появлению и дальнейшему развитию квантовой критпографий. Хотя квантовая физика до сих пор хранит в себе множество загадок и тайн, она по сути своей является ключом к будущему, которое описывали такие фантасты-футурологи как Рэй Брэдбери и Айзек Азимов. И квантовая криптография является неотъемлемой частью этого будущего, которое нынешнее поколение ученых умов старается воплотить в настоящем или же хотя бы в ближайшем будущем, описывая и проводя практические опыты по созданию квантовых протоколов, интерференций фотонов и решению проблем создания надежного источника одиночных фотонов, однофотонного приемника и других. Важным на данный момент является то, что большая часть описанного материала в статье уже стало реальностью, перекочевав из теорий в практику, и потихоньку внедряется в технологическую сферу человечества, создавая тем самым больший спрос на развитие квантовой криптографий.

Литература:

1. Квантовая криптография: идеи и практика / под ред. С. Я. Килина, Д. Б. Хорошко, А. П. Низовцева. — Мн., 2008. — 392 с.
2. Васильев М. Н., Горшков А. В. Разработка и создание аппаратно-программного комплекса для автоматизированного томографического анализа пучков заряженных частиц с высоким пространственным разрешением. / Аннотированный НТО по программе «Управляемый термоядерный синтез и плазменные процессы». — Долгопрудный: МФТИ, 01.12.1992. — 30 с.
3. Клышко Д. Н. — Квантовая электроника, 1977, 4.
4. Холево А. Введение в квантовую теорию информации. — М.: МЦНМО, Сер. Современная математическая физика. Проблемы и методы. 2002, вып.5.
5. Квантовая криптография — журнал «Фотоника» 2/2010 г.