Квантова зв'язок в дії - опис, особливості та цікаві факти

Квантова фізика пропонує абсолютно новийспосіб захисту інформації. Навіщо він потрібен, хіба зараз не можна прокласти захищений канал зв'язку? Безумовно, можна. Але вже створені квантові комп'ютери, і в той момент, коли вони стануть поширені повсюдно, сучасні алгоритми шифрування будуть марні, так як ці потужні комп'ютери зможуть зламувати їх за частки секунди. Квантова зв'язок дозволяє шифрувати інформацію за допомогою фотонів - елементарних частинок.

Такі комп'ютери, отримавши доступ до квантовомуканалу, так чи інакше змінять даний стан фотонів. І спроба отримати інформацію призведе до її пошкодження. Швидкість передачі інформації, звичайно, нижче, в порівнянні з іншими, нині існуючими каналами, наприклад, з телефонним зв'язком. Але квантовий зв'язок забезпечує набагато більший рівень секретності. Це, природно, дуже великий плюс. Особливо в сучасному світі, коли кіберзлочинність зростає з кожним днем.

Квантова зв'язок для "чайників"

Колись голубина пошта була витісненателеграфом, в свою чергу, телеграф витіснило радіо. Звичайно, воно сьогодні, нікуди не поділося, але з'явилися інші сучасні технології. Всього десять років тому Інтернет не був поширений так, як сьогодні і доступ до нього було отримати досить складно - доводилося їхати в інтернет-клуби, купувати вельми дорогі картки і т. Д. Сьогодні без Інтернету ми не проживаємо ні години, і з нетерпінням чекаємо 5G.

Але черговий новий стандарт зв'язку не вирішитьзавдання, які стоять зараз перед організацією обміну даними за допомогою Інтернету, отримання даних з супутників з поселень на інших планетах і т. п. Всі ці дані повинні бути надійно захищені. А організовувати це можна за допомогою так званої квантової заплутаності.

Що ж таке квантовий зв'язок? Для "чайників" пояснюють це явище як зв'язок різних квантових характеристик. Вона зберігається навіть тоді, коли частки рознесені один від одного на велику відстань. Зашифрований і переданий за допомогою квантової заплутаності ключ, не надасть ніякої цінної інформації хакерам, які спробують його перехопити. Все, що вони отримають - це інші цифри, так як стан системи, при зовнішньому втручанні, буде змінено.

Але створити всесвітню систему передачі даних невдавалося, так як вже через кілька десятків кілометрів сигнал загасав. Супутник, запущений в 2016 р, допоможе реалізувати схему квантової передачі ключів на відстані більше 7 тис. Км.

Перші успішні спроби використання нової зв'язку

Найперший протокол квантової криптографії був отриманий в 1984 р Сьогодні ця технологія успішно використовується в банківській сфері. Відомі компанії пропонують створені ними криптосистеми.

Квантова лінія зв'язку здійснюється настандартному оптоволоконному кабелі. У Росії перший захищений канал був прокладений між відділеннями "Газпромабанка" в Нових Черемушках і на Коров'ячому валу. Загальна довжина дорівнює 30,6 км, помилки при передачі ключа виникають, але їх відсоток мінімальний - всього 5%.

Китай запустив супутник квантової зв'язку

Перший в світі подібний супутник був запущений вКитаї. Ракета Long March-2D стартувала 16 серпня 2016 року з космодрому Цзю-Цюань. Супутник вагою 600 кг буде 2 роки літати по сонячно-синхронній орбіті, висотою 310 миль (або 500 км) в рамках програми "Квантові експерименти в космічному масштабі". Період обертання апарату навколо Землі дорівнює півтора годинах.

Супутник квантової зв'язку називається Micius, або"Мо-Цзи", в честь філософа, який жив в V ст.н.е. і, як прийнято вважати, першим проводив оптичні експерименти. Вчені збираються вивчити механізм квантової заплутаності і провести квантову телепортацію між супутником і лабораторією в Тибеті.

Остання передає квантовий стан частинки назадану відстань. Для реалізації цього процесу потрібна пара заплутаних (інакше кажучи, зчеплених) частинок, що знаходяться на відстані один від одного. Згідно квантової фізики, вони здатні вловлювати інформацію про стан партнера, навіть перебуваючи далеко один від одного. Тобто можна впливати на частку, яка знаходиться в далекому космосі, впливаючи на її партнера, який знаходиться поруч, в лабораторії.

Супутник буде створювати два заплутаних фотона івідправляти їх на Землю. Якщо досвід буде вдалим, він ознаменує собою початок нової ери. Десятки подібних супутників зможуть не тільки забезпечити повсюдне поширення квантового інтернету, але і квантову зв'язок в космосі для майбутніх поселень на Марсі і на Місяці.

Навіщо потрібні такі супутники

Але навіщо взагалі потрібен супутник квантової зв'язку? Хіба вже існуючих звичайних супутників мало? Справа в тому, що ці супутники НЕ будуть замінювати звичайні. Принцип квантової зв'язку полягає в кодуванні і захисту існуючих звичайних каналів передачі даних. З її допомогою, наприклад, вже забезпечувалася безпеку під час проведення парламентських виборів у 2007 році в Швейцарії.

Некомерційна дослідницька організаціяБаттельскій меморіальний інститут, проводить обмін інформацією між відділеннями в США (штат Огайо) і в Ірландії (Дублін) використовуючи квантову заплутаність. Принцип її заснований на поведінці фотонів - елементарних частинок світла. З їх допомогою кодується інформація і відправляється адресату. Теоретично, навіть сама акуратна спроба втручання, залишить слід. Квантовий ключ зміниться відразу ж, і хакер, що почав спробу, отримає безглуздий символьний набір. Тому всі дані, які будуть передавати через ці канали зв'язку, неможливо перехопити або скопіювати.

Супутник допоможе вченим тестувати розподіл ключа між наземними станціями і самим супутником.

Квантова зв'язок в Китаї буде реалізованазавдяки оптоволоконним кабелях, загальною протяжністю 2 тис. км і об'єднують 4 міста від Шанхая до Пекіна. Серії фотонів нескінченно передаватися не можуть, і чим більше відстань між станціями, тим вище шанс того, що інформація буде пошкоджена.

Пройшовши якусь відстань, сигнал загасає, івченим, для того щоб підтримувати коректну передачу інформації, потрібен спосіб поновлення сигналу через кожні 100 км. У кабелях це досягається за допомогою перевірених вузлів, в яких ключ аналізується, копіюється новими фотонами і йде далі.

Трохи історії

У 1984 р Брассард Ж. з Монреальського університету та Беннет Ч. з IBM припустили, що фотони можна використовувати в криптографії для отримання захищеного фундаментального каналу. Ними була запропонована проста схема квантового перерозподілу шифрувальних ключів, яка була названа ВВ84.

Схема ця використовує квантовий канал, по якомуінформація між двома користувачами передається у вигляді поляризованих квантових станів. Подслушивающий їх хакер може спробувати виміряти ці фотони, але він не може це зробити, як сказано вище, не внісши в них спотворення. У 1989 р в Дослідницькому центрі IBM Брассард і Беннет створили першу в світі працюючу квантово-криптографічний систему.

З чого складається квантово-оптична криптографічний система (КОКС)

Основні теххарактерістікі КОКС (коефіцієнтпомилок, швидкість передачі даних і т.п.) визначені параметрами утворюють канал елементів, які формують, передають і вимірюють квантові стану. Зазвичай КОКС складається з приймальні і передавальної частин, які пов'язані каналом передачі.

Джерела випромінювання поділяються на 3 класи:

• лазери;
• мікролазери;
• світловипромінюючі діоди.

Для передачі оптичних сигналів в якості середовища використовують волоконно-оптичні світлодіоди, об'єднані в кабелі різної конструкції.

Природа секретності квантової зв'язку

Переходячи від сигналів, в яких передаєтьсяінформація кодується імпульсами з тисячами фотонів, до сигналів, в яких на один імпульс, в середньому, припадає їх менше одиниці, в дію вступають квантові закони. Саме використання цих законів з класичної криптографією дозволяє досягати секретності.

Принцип невизначеності Гейзенберга застосовуєтьсяв квантово-криптографічних апаратах і завдяки йому будь-які спроби зміни в квантовій системі вносять до неї зміни, і формація, отримана в результаті подібного вимірювання, визначається прийнятої стороною як помилкова.

Чи дає квантова криптографія 100% гарантію від злому?

Теоретично дає, але технічні рішення незовсім надійні. Зловмисники стали використовувати лазерний промінь, за допомогою якого вони засліплюють квантові детектори, після чого ті перестають реагувати на квантові властивості фотонів. Іноді використовуються многофотонние джерела, і зломщики можуть отримувати можливість пропускати один з них і вимірювати ідентичні.