Квантовое распределение ключа

Квантовая криптография — метод защиты коммуникаций, основанный на определенных явлениях квантовой физики. В отличие от традиционной криптографии, которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, квантовая криптография сосредоточена на физике информации, так как рассматривает случаи, когда информация переносится с помощью объектов квантовой механики. Процесс отправки и приема информации всегда выполняется физическими средствами, например при помощи электронов в электрическом токе, или фотонов в линиях волоконно-оптической связи. А подслушивание может рассматриваться, как измерение физических объектов — в нашем случае, переносчиков информации.

Технология квантовой криптографии опирается на принципиальную неопределенность поведения квантовой системы — невозможно одновременно получить координаты и импульс частицы, невозможно измерить один параметр фотона, не исказив другой. Это фундаментальное свойство природы в физике известно как принцип неопределенности Гейзенберга, сформулированный в 1927 г.

Используя квантовые явления, можно спроектировать и создать такую систему связи, которая всегда может обнаруживать подслушивание. Это обеспечивается тем, что попытка измерения взаимосвязанных параметров в квантовой системе вносит в нее нарушения, разрушая исходные сигналы, а значит, по уровню шума в канале легитимные пользователи могут распознать степень активности перехватчика.

Простейший алгоритм генерации секретного ключа

(На примере реализации метода поляризации фотонов)

Для объяснения алгоритма воспользуемся широко распространенной схемой персонажей (Алиса и Боб обмениваются секретной информацией). Алиса посылает Бобу последовательность фотонных импульсов. Каждый из импульсов случайным образом поляризован в одном из четырех направлений: | — \ /. Например, Алиса посылает: — / \ | \ — |.

Боб настраивает свой детектор произвольным образом на измерение серии либо диагонально, либо ортогонально поляризованных импульсов (мерить одновременно и те и другие нельзя): X X + X X + +.

В тех случаях, где Боб угадал поляризацию, он получит правильный результат (такую же поляризацию, какую посылала Алиса). В остальных случаях результат будет случайным.

Боб и Алиса по открытому каналу сообщают друг другу использованные типы поляризаций (диагональная или ортогональная). Оставляют только правильно измеренные.

В нашем примере Боб угадал поляризацию 2-го, 5-го, 6-го и 7-го импульсов. Таким образом, остаются: \ \ — |.

По заранее оговоренным условиям эти результаты превращаются в последовательность битов (например, 0° и 45° принимаются за единицу, 90° и −45° — за ноль, в приведённом выше примере получится 0010).

Перехват сообщения-ключа Боб и Алиса могут обнаружить посредством контроля ошибок, сверив случайно выбранные из сообщения биты. Несовпадения указывают на перехват сообщения, тогда ключ изменяется, то есть передается повторно.

Если расхождений нет, то биты, использованные для сравнения, отбрасываются, ключ принимается. С вероятностью 1 - 2^-k (где k — число сравненных битов) канал не прослушивался.

Впрочем, если недоброжелатель может не только прослушивать основной канал Алиса->Боб, но и может фальсифицировать работу открытого канала Боб->Алиса, то вся схема рушится. (Man-In-The-Middle)

Описанный алгоритм носит название протокола квантового распределения ключа

Реализации алгоритма

• 1989 г. Беннет и Брассар в Исследовательском центре метра в светонепроницаемом полутораметровом кожухе размером 0,5х0,5 м. Собственно квантовый канал представлял собой свободный воздушный канал длиной около 32 см. Макет управлялся от персонального компьютера, который содержал программное представление пользователей Алисы и Боба, а также злоумышленника.

• 1989 г. передача сообщения посредством потока фотонов через воздушную среду на расстояние 32 см с компьютера на компьютер завершилась успешно. Основная проблема при увеличении расстояния между приемником и передатчиком — сохранение поляризации фотонов. На этом основана достоверность способа.

• Активные исследования в области квантовой криптографии ведут IBM, GAP-Optique, Toshiba, Национальная лаборатория в Лос-Аламосе, Калифорнийский технологический институт, молодая компания MagiQ и холдинг QinetiQ, поддерживаемый британским министерством обороны.

• Созданная при участии Женевского университета компания GAP-Optique под руководством Николаса Гисина совмещает теоретические исследования с практической деятельностью. Специалистам этой фирмы удалось передать ключ на расстояние 67 км из Женевы в Лозанну с помощью почти промышленного образца аппаратуры. Этот рекорд был побит корпорацией Mitsubishi Electric, передавшей квантовый ключ на расстояние 87 км, правда, на скорости в один байт в секунду.

• 2001 г. доктор Эндрю Шилдс и его коллеги из TREL и Кембриджского университета создали диод, способный испускать единичные фотоны. В основе нового светодиода лежит «квантовая точка» — миниатюрный кусочек полупроводникового материала диаметром 15 нм и толщиной 5 нм, который может при подаче на него тока захватывать лишь по одной паре электронов и дырок. Это дало возможность передавать поляризованные фотоны на большее расстояние. В ходе экспериментальной демонстрации удалось передать зашифрованные данные со скоростью 75 Кбит/с — при том, что более половины фотонов терялось.

• Министерством обороны Великобритании поддерживается исследовательская корпорация QinetiQ, активно совершенствующая технологию квантовой шифрации. Эта компания появилась на свет в результате деления британского агентства DERA (Defence Evaluation and Research Agency) в 2001 г., вобрав в себя все неядерные оборонные исследования. О своих достижениях она широкой публике пока не сообщает.

• Исследованиями в области квантовой криптографии занимается также группа молодых компаний, в том числе швейцарская Id Quantique (http://www.idquantique.com/), представившая коммерческую систему квантовой криптографии, и Magiq Technologies (http://www.magiqtech.com/) из Нью-Йорка, выпустившая прототип коммерческой квантовой криптотехнологии собственной разработки. MagiQ Technologies была создана в 1999 г. на средства крупных финансовых институтов. Помимо собственных сотрудников с ней взаимодействуют научные работники из целого ряда университетов США, Канады, Великобритании и Германии. Вице-президентом MagiQ является Алексей Трифонов, в 2000 г. защитивший докторскую диссертацию в Петербургском университете. Год назад Magiq получила 7 млн. долл. от нескольких инвесторов, включая основателя Amazon.com Джеффа Безоса.

В продукте Magiq средство для распределения ключей (quantum key distribution, QKD) названо Navajo — по имени индейцев Навахо, язык которых во время Второй мировой войны американцы использовали для передачи секретных сообщений, поскольку за пределами США его никто не знал. Navajo способен в реальном времени генерировать и распространять ключи средствами квантовых технологий и предназначен для обеспечения защиты от внутренних и внешних злоумышленников. Продукт Navajo находится в состоянии бета-тестирования и станет коммерчески доступным в конце 2003 года. Несколько коммуникационных компаний тестируют Navajo в своих сетях.

Интерес к квантовой криптографии со стороны коммерческих и военных организаций растет, так как эта технология гарантирует абсолютную защиту. Создатели технологий квантовой криптографии вплотную приблизились к тому, чтобы выпустить их из лабораторий на рынок. Осталось немного подождать, и уже очень скоро квантовая криптография обеспечит еще один слой безопасности для нуждающихся в этом организаций.

Литература

• Квантовая криптография: идеи и практика / под ред. С.Я.Килина, Д.Б.Хорошко, А.П.Низовцева. – Мн., 2008. – 392 с.
• Kilin S.Ya. Quanta and information / Progress in optics. – 2001. – Vol. 42. – P. 1–90.
• Килин С. Я. Квантовая информация / Успехи Физических Наук. – 1999. – Т. 169. – C. 507-527. [1]

Ссылки

• Е. Гиршов. Доклад «Введение в квантовую криптографию» (основные понятия, протоколы, примеры, технологические аспекты) на ТеорМине

См. также

• Квантовая информация
• Квантовая запутанность