Фото: Университет Калгари
Квантовая криптография становится всё более реальной и близкой перспективой. Физики в США, Китае, России и других странах совершенствуют методы квантовой телепортации по обычным каналам связи. Сейчас научные работы вплотную приблизились к требованиям, которые выдвигаются к практическим квантовым криптографическим системам.
В отличие от традиционной криптографии, которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, квантовая криптография основана на законах физики. Защита информации (в данном случае, неизменность параметров физического объекта) гарантируется принципом неопределённости Гейзенберга.
19 сентября 2016 года в журнале Nature Photonics опубликованы результаты экспериментов двух научных групп из Китая и Канады, которые установили новые рекорды по дальности квантовой телепортации по оптоволокну (1, 2). Это значит, что квантовые коммуникационные сети приблизились к практической реализации. В будущем они могут быть развёрнуты на обычной городской инфраструктуре, а также между городами.
Квантовая телепортация — передача квантового состояния на расстояние при помощи запутанной пары частиц, при которой состояние частицы разрушается в точке отправления и воссоздаётся в точке приёма. Для квантовой телепортации необходимо наличие двух каналов: квантового канала и традиционного классического канала для передачи дополнительной информации. Физически это может быть один и тот же канал, например, оптоволокно.
Как происходит квантовая телепортация
На практике квантовая телепортация между отправителем и получателем происходит через посредника, пишет New Scientist. Телепортация происходит очень просто, в три этапа.
1. Отправитель отправляет посреднику частицу А, состояние которой требуется передать получателю.
2. Получатель создаёт пару запутанных частиц B и C, одну из которых отправляет посреднику. Частица B сохраняется у получателя — после квантовой телепортации у неё будет такое же состояние, какое было изначально у частицы A.
3. Посредник измеряет состояние Белла в паре частиц A и C и запутывает их, сообщая получателю по обычному классическому каналу результат своего измерения. По законам квантовой механики получается, что, имея результат измерения, проведённого над парой частиц A и C, и плюс к тому запутанную с C частицу B, получатель сможет совершить необходимое преобразование над состоянием частицы B и восстановить исходное состояние частицы A.
Впервые в мире квантовая телепортация фотона состоялась в 1997 году. Тогда все стороны, участвующие в обмене фотонами (отправитель, получатель и посредник) находились в одной лаборатории на расстоянии несколько десятков сантиметров друг от друга.
В 2010 году квантовое состояние фотона удалось передать на 10 км. В 2012 году китайским физикам удалось за 4 часа передать 1100 запутанных фотонов на расстояние 97 км. В сентябре 2012 года физики из Университета Вены и Академии наук Австрии установили новый рекорд в квантовой телепортации — 143 км по воздуху между двумя Канарскими островами. Этот рекорд и держится до сих пор.
Проблема только в том, что это достижение не имеет смысла для построения реальных квантовых сетей, где требуется квантовый канал для передачи связанной частицы.
Масштабируемая сеть
Для практической реализации криптографической системы коммуникаций крайне важно именно наличие «посредника». В таком случае появляется возможность неограниченно масштабировать квантовую сеть на любые расстояния. В масштабируемой квантовой сети по примеру интернета пары частиц могут запутываться на каждом узле, так что при квантовой телепортации на большие расстояния между отправителем и получателем будет несколько посредников.
Так вот, если посредник отделён от отправителя и получателя (а это необходимо для масштабируемой сети), то бутылочным горлышком такой системы становится расстояние от посредника. Именно по этому квантовому каналу путешествуют частицы в хрупком запутанном состоянии.
Если считать расстояние от посредника до получателя, то до сегодняшнего дня рекордом дальности квантовой телепортации были скромные 800 метров. И вот теперь физики из Канады и Китая одновременно объявили о кардинальном увеличении этого лимита.
Вольфганг Титтел (справа) и его коллеги из Университета Калгари. Фото: Университет Калгари
Вольфганг Титтел (Wolfgang Tittel) с коллегами из Университета Калгари сумели увеличить расстояние между посредником и получателем до 6,2 км по прямой (научная работа, doi:10.1038/nphoton.2016.180). На карте Калгари показан оптоволоконный канал, по которому осуществлялась передача. Длина канала между посредником и получателем составляет 11,1 км.
А — отправитель, B — получатель, C — посредник. Иллюстрация: Университет Калгари. Карта: Google
Схема экспериментальной установки Университета Калгари изображена ниже.
Как видно на карте, расстояние по прямой 6,2 км покрывает значительную часть крупного города. Канадским физикам удалось добиться скорости передачи 17 фотонов в секунду, то есть обмен простыми криптографическими ключами будет происходить довольно долго.
Коллеги из Научно-технического университета Китая пошли ещё дальше и осуществили передачу запутанных фотонов между получателем и посредником в оптоволоконной квантовой сети протяжённостью 30 км на расстояние 12,5 км (научная работа, doi:10.1038/nphoton.2016.179).
Китайская система имеет немного другую конфигурацию: здесь пару связанных фотонов создаёт посредник и отправляет один из фотонов получателю, а не наоборот. Такая схема больше подходит для звездообразной топологии сети, то есть для развёртывания сети в городе.
Исходя из расстояния передачи, уже сейчас теоретически возможно создание квантовой сети телепортации с единым хабом в географическом центре города.
С другой стороны, канадская архитектура квантовой сети больше подходит для прокладки квантовых каналов между городами, с чередой репитеров на протяжённом канале.
Квантовая телепортация надёжно защищена от систем прослушки и перехвата, которые разворачивают в интернете разведывательные организации и правительства разных стран для слежки за своими и чужими гражданами. Перехват секретных ключей для квантового end-to-end шифрования фактически невозможен, потому что нарушает законы физики.
Комментарии (39)
Alligattor
21.09.2016 23:00Перехват секретных ключей для квантового end-to-end шифрования фактически невозможен, потому что нарушает законы физики.
перечитывая эту статью, через 20-50 лет кто-то улыбнется и продолжит заниматься перехватом этих самых ключей в образовательных целях…
bladeser
22.09.2016 08:56Я уже сейчас улыбаюсь.
Когда кто-то говорит что невозможно перехватить информацию по квантовому каналу то он ошибается. Перехватить можно. Другое дело, что свойством квантовой криптографии является то, что такой перехват становится явным. То есть пока инфу никто не перехватывает — все нормально. Как только кто-то попытался перехватить информацию — обе стороны немедленно об этом узнают.
Если бы я хотел получить закрытую информацию то первое что я сделал бы — это начал бы нагло перехватывать всю передачу по квантовому каналу и ждать. В этом случае обе стороны видя что ведется постоянный перехват неминуемо начнут искать способы передать секретную информацию другим путем.
redpax
22.09.2016 00:21Новость конечно хорошая, шифрование это полезно но неужели ученые «похоронили» идею передачи данных через квантовую телепортацию без дополнительного канала?
orcy
22.09.2016 08:00+2Есть кстати интересная аналогия про то почему нельзя передать информацию:
Допустим у вас есть пара перчаток и вот вы пошли гулять и так случилось что одна перчатка осталась дома, вторая у вас в кармане (вы не знаете какая где). Потом стало холодно и вы решаете достать перчатку из пальто, и выясняете что это правая. Значит вы можете точно сказать что дома осталась левая. В результате такого «измерения» вы не можете передать какую-то информацию домой.
Отсюда: http://physics.stackexchange.com/questions/3158/why-is-quantum-entanglement-considered-to-be-an-active-link-between-particles/3162#3162
knstqq
22.09.2016 08:40Есть ещё «слабые измерения», которые теоретически могут позволить пронаблюдать частицу в тот момент, когда в кармане будет правая перчатка, если я это правильно понимаю.
Kadr
22.09.2016 14:09Проблема с этой аналогией в том, что перчатка в вашем кармане на самом деле ни левая ни правая до тех пор пока вы не посмотрите на нее. Только когда вы обнаружили что она, например, левая тогда перчатка дома стала правой.
kauri_39
24.09.2016 23:37Видимо, поэтому и считается, что запутанные частицы пребывают в суперпозиции состояний до измерения одной из них. Но тогда следует признать, что корреляция состояний частиц существует всё время до момента измерения включительно. Это значит, что сами частицы пользуются мгновенным каналом связи для этой корреляции. Например, запутанные фотоны синхронно меняют свои спины, если кто-нибудь из них вдруг поменяет свой спин, допустим, под влиянием какой-то вакуумной флуктуации или виртуальной частицы. И только измерение или равная ему по энергетике декогеренция останавливает их синхронный танец. Верно?
Kadr
25.09.2016 14:07Есть разные интерпретации результатов экспериментов. Одна из интерпретаций — мгновенное дальнодействие — в результате измерения одной частицы другая принимает такое же состояние, что и измеряемая. Другая интерпретация — многомировая — одновременно существуют реальности в которых частицы принимают всевозможные состояния, а в результате измерения мы понимаем в какой из реальностей мы находимся. В первом случае мир состоит из вероятностей, во втором — наш мир один из очень-очень многих.
Tachyon
22.09.2016 09:10-1Если такой способ передачи информации может полностью исключить прослушивание, то что то мне подсказывает что на уровне государства это может стать запрещённым. «Самогон гнать нельзя — государство не терпит конкуренции». Так и тут: не могут прослушать- запретят для «всеобщего блага и спокойствия дабы террористы не созванивались совершая терракты»
Aversis
22.09.2016 14:49Дилетантский вопрос: перед началом отправки частиц А и С посреднику, в принципе, можно ли сделать копии всех частиц (или их состояния) А, В, С?
orcy
22.09.2016 18:54+1Видимо нельзя, есть теорема о запрете клонирования:
> Теорема о запрете клонирования — утверждение квантовой теории о невозможности создания идеальной копии произвольного неизвестного квантового состояния (wikipedia).
d_olex
Насколько я знаю, в реальной жизни квантовую криптографию предполагается использовать только для передачи ключа. Сами же полезные данные будут ходить по обычному каналу связи с использованием обычных блочных или потоковых шифров, так что в конечном итоге модель угроз такой системы все равно будет включать в себя атаки на классическую криптографию в числе прочего.
Kadr
Шифр Вернама не взламывается. Если по квантовому каналу будет передаваться ключ с длинной равно длине данных, то такая система абсолютно устойчива.
d_olex
Дык если бы так можно было — то городить конфигурацию с двумя каналами (обычным и квантовым) не стали бы. Врать не буду, но ЕМНИП там проблема в том, что у квантового канала связи получается очень низкий bandwidth — много данных не передашь.
Kadr
Каналов еще нет, есть только лабораторные разработки, поэтому преждевременно говорить о том, что там будет низкий bandwidth.
d_olex
Вообще-то первые quantum key distribution системы уже несколько лет как доступны в виде коммерческих решений, некоторые из них даже хакали:
http://www.toshiba.eu/eu/Cambridge-Research-Laboratory/Quantum-Information-Group/Quantum-Key-Distribution/Toshiba-QKD-system/
https://www.technologyreview.com/s/418968/commercial-quantum-cryptography-system-hacked/
http://arxiv.org/pdf/1005.2376v1.pdf
Kadr
Они квантовую запутанность используют?
Wolander
Я могу ошибаться, но насколько я помню со слов некоей высокоумной тёти из Швейцарии (http://www.idquantique.com), то основной прикол использования принципа неопределённости в том, что при передаче ключа он ненаблюдаем и если его перехватывают (начинают наблюдать), то он меняет состояние и становится известно, что ключ скомпрометирован.
Для меня это выглядит как магия, поэтому комментировать не буду:)
gearbox
>Перехват секретных ключей для квантового end-to-end шифрования фактически невозможен, потому что нарушает законы физики.
И чем передача такого ключа будет отличаться от передачи самого сообщения по этому же каналу?
Kadr
Увы, информацию нельзя передать с помощью квантовой запутанности. Поэтому даже термин «квантовая телепортация» — немного желтоват. Что можно сделать — генерировать одинаковую последовательность случайных чисел на обоих концах каналов и это дает нам идеальный шифроблокнот, который нельзя перехватить.
lavmax
Этот комментарий объяснил мне больше, чем вся статья выше. Спасибо.
TimsTims
Более того, это объяснило чем все предыдущие статьи за 3 года, которые я читал про квантовую «телепортацию», и никак не мог допереть, как же передается информация. А приведенный в статье «очерь простой» пример с частицами A, B, C лишь сильнее запутывает не частицы, а читателей.
gearbox
А, вот оно чо! Да, был неправ, вспылил…
Myrddin
Действительно для непосвященного человека такая подача звучит наиболее понятно. Тема очень интересная, не хотите попробовать описать это все доступнім языком? )
Kadr
Уже были очень хорошие посты на гиктайсме, которые объясняют то, что нам известно о поведении запутанных частиц. Вот например Эксперимент, который навсегда изменил наше представление о реальности
Квантовая физика на столько противоречит интуиции, что поняв результаты экспериментов я перестал понимать квантовую физику.
INDUSTRIALIST
Но если генератор случайных чисел будет использовать дату и время а мы знаем что время течет относительно. Из этого получается что случится рассинхронизация. Я прав или не учел что-то?
geisha
Ну, к примеру, можно напередовать ключей в «мирное» время, а когда понадобится — использовать быстрые классические каналы для данных.
AxisPod
Ну дык примерно так сейчас и делают, но это тоже не шибко безопасно.
Wizard_of_light
Ага, напередавать. Главное, чтобы потом не записали на бумажке и не наклеили на монитор, чтоб под рукой были.
ahdenchik
Тем что по такому каналу можно передавать только рандомные ключи, «конверты» с которыми «вскрываются» на концах линии
gearbox
Вот я вчера подумал, так, по дилетантски. А что мешает устроить mitm для этого канала? Ну то есть притворяемся получателем от посредника, получателю притворяемся посредником, собираем блокнот. Перехватываем зашифрованную передачу, расшифровываем, (возможно меняем) и зашифровываем тем ключом что скормили получателю. То есть по сути надо просто врезаться в два канала а не в один, но как то я вот пока не вижу «Перехват секретных ключей для квантового end-to-end шифрования фактически невозможен, потому что нарушает законы физики» Понятно что умные дяди зря балаболить не станут, но как посредник узнает при генерации ключа что на том конце провода Боб а не Чак Норрис?
Kadr
Алиса с Бобом пользуются устройствами, которые злоумышленник может скомпроментировать и таким образом их прослушивать. Но просто вклиниться в канал не получится — передаются запутанные частицы и если одну из них «прочитать», то воссоздать ее не получится, поскольку произошел коллапс волновой функции и вы повлияли и на вторую из частиц.
gearbox
Так я же о чем говорю — не надо подслушивать. тупо перехватываем частицы Боба а Бобу отдаем свои. Как Алиса или посредник узнают о том что у Боба протухшие частицы? (запутанность не нарушена, просто она у Боба другая).