5 Августа 2018

Квантовая криптография: чем интересна и полезна современному обществу?

Опубликовал К.В. Кулик

Когда человек садится писать электронное письмо другу, его нисколько не заботит то, как далеко находится его адресат. Ему не приходится брать линейку и отмерять расстояние между двумя населёнными пунктами по карте, проверяя, укладывается ли он в лимит допустимой дальности отправки писем. Никто не может предположить, что существуют какие-то ограничения, не дающие отправить письмо свыше какого-то расстояния. В условиях современного развития технологий такая ситуация кажется невозможной и полным нонсенсом.

Однако именно так обстоят дела с передачей данных по линиям связи в мире квантовых технологий. Передачу их можно без проблем организовать только в пределах одного города, так как дальность её составляет всего немногим больше ста километров, а для устойчивой полноценной работы вообще держится в пределах 40 км.

То, что трудно себе представить

С момента первой передачи квантовых данных прошло достаточно много времени, если рассуждать в масштабах движущегося стремительными темпами прогресса. Первая передача данных, ставшая успешной, произошла в 1989 году под руководством Беннета и Брассара. Правда, линия связи, созданная таким образом, вряд ли могла впечатлить, ведь составляла всего 32,5 сантиметра. Зато она была защищённой. Во время работы установки менялась поляризация фотонов, и она издавала своеобразный шум, благодаря которому можно было распознавать двоичный код, ведь шум был различным на нули и на единицы. Достаточно серьёзно о применении квантовой криптографии было сказано в 2007 году, когда в больших масштабах было задействовано этот метод в исследованиях Id Quantique, которые предложили и успешно задействовали защищённый канал связи на выборах кантона Женевы. Благодаря этой системе голоса избирателей были надёжно защищены благодаря квантовой системе шифрования информации.

Начало всех исследований, посвящённых квантовой крипторафии, пришлось на конец 60-х годов, после того, как студенту университета Колумбии Стивену Визнеру показалась удачной мысль использовать свойства частиц для того, чтобы создать квантовые банкноты — то есть, такие банкноты, которые не подлежат возможности их подделки. Суть метода такова, что каждой банкноте соответствовал бы некоторый набор элементарных частиц, то есть фотонов, которые выполняли бы роль своеобразных ловушек, потому что фотоны поляризировались бы под определёнными углами, составляя свой серийный номер, который известен только банку, тогда как обычный номер напечатан на самой купюре.

Для подделки купюры, которая была дополнительно защищена таким образом, злоумышленнику придётся произвести титанический труд, замеряя углы, под которыми расположены фотоны, но узнать о том, какие базисы используются при их нанесении, практически невозможно, ведь это известно только банку. Тогда ошибка в базисе одного фотона губительна для подлинности банкноты.

 Несмотря на всю рациональность такой защиты денежного ресурса, который всегда под угрозой подделки, данный метод до сих пор не освоен на практике, а всему виной то, что до сих пор не удаётся создать удовлетворяющих параметрам безопасности ловушек фотонов, которые могли бы в достаточной мере широко использоваться при печати банкнот. Но вопреки нереализованной идее по защите банкнот Визнеру удалось предложить миру что-то гораздо более ценное, а именно метод квантовой защиты информации.

Суть метода

Протокол защиты таков, что при использовании канала связи между пользователями перераспределяются ключи, обеспечивающие защиту передаваемой информации. Кроме этого, ключи могут быть сгенерированы на постоянной основе, либо автоматически. Квантовая защита информации имеет огромные перспективы в современном мире благодаря своей мультизадачности шифрования данных. Благодаря ей можно создать такие уровни защиты информации, обойти которые будет практически невозможно.

Созданием первого протокола квантовой защиты занимались Броссар и Беннет. В 1984 году их исследования и эксперименты увенчались большим успехом, так как было получено первый протокол, получивший название BB84. В качестве передатчиков нужной информации использовались фотоны двух базисов. Для первого угол наклона составлял 0 и 90 градусов и проходил под знаком сложения, второй включал в себя углы 45 и 135, проходя под знаком умножения. Отправителем, который получил название Алиса, поляризуется фотон в случайно генерируемом базисе перед тем, как он отправляется получателю, который получил название Боб. Получатель пропускает полученную информацию также через случайно полученный базис, затем получая от отправителя её набор базисов, которые при несовпадении отметаются.

Самое главное в процедуре проверки, что все полученные значения никоим образом в этом обсуждении не упоминаются, а значит к ним нет доступа у непосвящённых лиц, и обмен информацией идёт напрямую. Шпиону, который получил название Ева, неользя будет завладеть информацией, кроме как получения информации о поляризации фотона, а получение этой информации невозможно без измерения полярности каждой частицы. Сделать это без информации о базисе, который был выбран для поляризации, невозможно, а информацией об этом владеет только Алиса, передавая его Бобу. Таким образом, участие третьего лица в канале обмена передаваемой информации невозможно. То есть это всё та же схема защиты банкнот, которая была переделана и “заточена” под нужды защиты информации.

Кроме этого, следует отметить тот факт, что если злоумышленник будет посягать на расшифровку передаваемой информации, ему нужно будет измерять поляризацию фотонов, не зная базиса, он только предполагает о возможности того или иного варианта, а в процессе подбора фотон будет менять свою полярность. Такой расклад приведёт только к тому, что появятся ошибки, которые будут распознавать и отправитель, и получатель.

Однако, такие головокружительные идеи прошли долгий путь, прежде чем были признаны научным миром. Визнер долгое время бился над тем, чтобы статью о его исследованиях хотя бы просто опубликовали, потому что все его запросы получали отказ потому, что по мнению редакций язык стаей был слишком сложен для всеобщего восприятия. Весь этот период борьбы пришёлся на 70-е года вплоть до 83-го года, когда статья наконец вышла. Журнал ACM Newsletter Sigact News взялся за ее публикацию и, как оказалось, совершенно не зря, потому что изложенные Визнером идеи наконец-то приобрели долгожданный успех. Это стало первым толчком для научного обсуждения квантовой криптографии и положило начало её основам.

В первоначальном варианте изобретателями метода предполагалось, что подслушивание информации и любое вмешательство в шифрование при попытке его распознать приводит к повреждению шифруемой информации. Но затем их исследования привели к новому решению, более усовершенствованному, который заключается в том, что в шифровании используются ключи шифрации.

Использование частиц как носителей передаваемой информации приводит к существенным различиям, по сравнению с телекоммуникационными линиями передачи информации. Там используются колебания электрического, каждый соответствующий нулю или единице. В квантовых же линиях связи используются электромагнитные колебания, которые более дорого стоят, и не так сравнительно дёшево обходятся. Как вариант используется поляризация фотонов, которая сама по себе является ещё более недешёвым вариантом. Но при внимательном рассмотрении преимуществ становится очевидным, что затраченные средства полностью оправданы, поскольку канал защищённый подобным образом невозможно практически взломать. Такой способ защиты обеспечивает самую высокую защиту от прослушивания информации злоумышленниками, заинтересованными в её получении.

Благодаря свойствам фотонов изменять своё состояние при изменении поляризации, можно получить на выходе несовпадающий код, если информацию пытались разузнать. При получении информации Боб увидит, что её пытались прослушивать. Такое поведение информации равносильно поведению конверта, который поменяет цвет при попытке вскрытия, и придёт адресату не таким, о котором они с отправителем условились.

Но самую ценную часть шифрования сообщений составляют, безусловно, сами ключи, длина которых порой превышает саму длину передаваемой информации. Расшифровка такой информации практически неподсильна никому. Дело остаётся только за линией связи, длина которой пока составляет самое уязвимое место квантовой защиты информации. Такое происходит потому, что фотонам не удаётся прожить долго из-за внешних шумовых помех, тепла и помех оптоволоконной связи.

Немного о ключах

Сегодня в мире ведутся разнонаправленные исследования по применению частиц в деле передачи данных, однако самые оживлённые поиски ведутся вокруг создания квантового повторителя, устройства, способного помогать фотонам оживать для дальнейшей передачи информации по сети связи. Российский квантовый центр, которым руководит профессор Александр Львовский, нашёл способ для того, чтобы восстановить фотоны. Были обнаружены следующие полезные свойства фотонов, заключающиеся в том, что при измерении состояния одного из фотонов, оказавшегося в паре с другим, и являющихся запутанными, можно добиться эффекта, при котором состояние второго будет определённым. Такое происходит при феномене, получившем название квантовой запутанности. Такие исследования привели к выводу, который был использован при получении модели передачи ключей между отправителем и получателем, потому что запутанные фотоны действительно генерируются случайным образом, а значит, их невозможно ни рассчитать, ни вычислить. При вмешательстве постороннего их взаимосвязь будет нарушена, а получить информацию злоумышленник не сможет, повредив при этом ключ.

Главная задача в шифровании информации состоит в том, чтобы ключ, благодаря которому можно получить доступ к шифрованной информации, можно было передать на далёкие расстояния. И тут наступают главные проблемы, потому что, во-первых, оптоволоконными сетями не удаётся передать фотоны на расстояния свыше 100 километров, а при превышении этого расстояния запутанным фотонам приходится исчезнуть в шуме. Если обычные сети имеют повторители или усилители сигнала, способные фильтровать шум, квантовые сети не могут быть организованы таким способом. Так как фотон не подлежит усилению, если пытаться изменить его параметры, он потеряет свою поляризацию, а значит, такие действия бессмысленны. Поэтому многими исследователями ведутся эксперименты и различные поиски квантовых усилителей, так как иначе эту проблему нельзя будет преодолеть. Главная проблема в том, что подобное устройство не должно никаким образом повредить информацию, которую несут фотоны, которые определённым образом надлежащими параметрами поляризованы. Так что группе Львовского пришлось многие силы приложить к работе над такими устройствами, путь к которым уже был проложен. В 2002 году профессором и коллегами было обнаружено некий эффект, который получил название квантового катализа.

Смысл этого явления заключался в том, что поскольку, к примеру, химические реакции определённого рода могут проходить лишь при наличии катализатора, так и квантовые явления некоторой природы требуют своеобразного катализатора. При этом в качестве катализатора используется световой импульс, идущий в паре с фотоном, который затем испаряется. Однако, импульс при этом остаётся, причём он усиливается, квантовые свойства его, соответственно, тоже. Такое происходит потому, что тут играет роль явление волновой интерференции. В своё время открытие подобного явления было чем-то на уровне парадокса.

Немногим позже учёные оценили практическое применение такого явления в качестве усиления фотона. После этих открытий начались исследования другого характера, благодаря которым стало возможным запутывать фотоны после того, как они были распутаны. Для этого было предложено использовать кристалл, обладающий нелинейными параметрами, из титанила-фосфата калия. При воздействии лучей лазера с кристаллом в нём появляются пары запутанных фотонов. Затем их отправляют в разные каналы, где фотоны подвергаются обработке. После этого фотоны попадают на поверхность светоделителя. Там происходит процесс, называемый катализом, или же точнее дистилляцией получаемых фотонов. При обработке и отсеивании полученных запутанных пар фотонов получаются именно соответствующие начальному уровню.

Данные технологии пригодятся не только при передаче важной информации, но и в коммерческом использовании, например, в производстве этих самых повторителей, однако пока что это невыгодно. Тут всё упирается в то, что пока такие устройства не стали массовыми, не может быть речи о том, что эту технологию можно применять более широко, нежели это может предполагаться сейчас. Пока этого не произошло, но в скором будущем данная технология будет только развиваться, потому что такой путь отрежет злоумышленникам возможности красть информацию. Также это означает постепенный конец традиционного шифрования информации, которое отойдёт на задний план с появлением квантового шифрования в широких кругах.

Следует помнить о том, что под угрозой окажется вся структура информации, сохранённая в том виде, который нам привычен, от банковых операций до информации, передаваемой посредством мессенджеров. Такое может произойти по одной простой причине, традиционная система передачи и хранения информации станет неэффективной. Также под угрозой могут оказаться важные энергетические объекты, пока информация не окажется надёжно защищенной. Квантовая криптография действительно самый надёжный путь, но для его реализации нужно пройти основательный путь становления. На сегодняшний день компания Toshiba ведёт поиски эффективного алгоритма шифрования, которые можно будет выводить на рынок. Исследования ведутся с начала 2003 года, особо активные действия в этом направлении ведутся с 2015 года. Предполагается введение квантовой криптографии для мобильных устройств в недалёком будущем.