Какво е квантова комуникация
Предлагам да започнете с основите и да разгледате самата фраза. Има
Най -развитото направление в рамките на технологията- квантова криптография или по -точно разпределение на квантов ключ. Това е набор от методи, насочени към генериране на споделен секретен ключ между отдалечени потребители, който след това се използва за криптиране.
Друга задача на квантовите комуникации е предаванетоквантова информация между квантовите компютри. Технологиите плавно се движат към развитието на разпределени квантови изчисления, тоест създаването, например, на централен квантов компютър и много периферни машини, които решават някои подзадачи и предават данни един на друг. Алтернатива на това може да бъде набор от взаимосвързани отдалечени квантови процесори. През февруари 2021 г. група изследователи от Германия демонстрираха възможността за прехвърляне на квантова информация между два модулни квантови процесора. Резултатите от експеримента са публикувани в списание Science. Това е важна стъпка в развитието на технологиите, която показа, че е възможно да се увеличи мощността на квантовите изчислителни технологии чрез комбиниране на няколко устройства в мрежа.
Интересна технологична особеност еФакт е, че ако в квантовите компютри изберем платформа, която е най-ефективно подходяща за решаване на определени проблеми, тогава с обмена на квантова информация всичко е очевидно: фотоните, тоест частиците светлина, вършат най-добрата работа. Алтернативи практически няма. Следователно изследователите вече са наясно каква ще бъде елементната база. Единствената трудност е, че квантовата информация, която възниква например като част от работата на свръхпроводящ квантов компютър, по някакъв начин се превежда във фотон, който може да се предава на големи разстояния. И след това го преобразувайте отново във формата, която е достъпна за квантов компютър. Ако квантовата криптография е ясен технологичен фронт, който е на много висок етап на готовност, тогава областта на квантовите комуникации, свързана с обмена на квантова информация между квантовите компютри, е голяма задача, която е на доста ранен етап.
Докато в квантовите компютри това е обичайна практикаговорейки за квантов обем - увеличаване на броя на кубитите и точността на операциите, в квантовите комуникации в широк контекст все още няма нито една метрика. В квантовата криптография учените се фокусират върху скоростта на генериране на ключ на всяко разстояние. Най-често се взема предвид скоростта на генериране на ключ от 50 км, което ви позволява да сравнявате различни устройства. Понякога те също така изучават някои ограничаващи характеристики, например максималното разстояние за генериране на ключове.
Железопътни кванти
Има няколко области около железопътната транспортна система, където квантовите комуникации (включително криптография) могат да бъдат полезни.
На първо място, това е история за оптичните влакнакабели. Оптичният кабел е един от основните инструменти за предаване на квантова информация. В квантовата криптография го използваме за предаване на фотони, които образуват криптографски ключове.
Второ, самата железопътна инфраструктура -набор от сложни технически обекти, които трябва да бъдат защитени. В идеалния случай, ако имахме квантово разпределение на ключове по железопътните линии, бихме могли да използваме тези квантови ключове за решаване на проблемите със сигурността на информацията, възникващи в железопътната индустрия.
И накрая, много железопътни маршрути -не само транспортирането на хора, но и транспортирането на голямо количество различни данни. Например Москва - Петербург, един от водещите проекти на Руските железници. Стойността на маршрута е очевидна: има колосален брой потребители на данни в Москва и не по -малък брой в Санкт Петербург. Те обменят голямо количество значима информация, която трябва да бъде защитена, така че идеята за използване на квантова криптография без съмнение е икономически обоснована.
Обикновено прилагането на квантово разпределениеключове между две точки А и В, разположени на разстояние повече от сто километра, се осъществява чрез добавяне на допълнителни междинни надеждни възли по маршрута от А до В. Такава мрежа се нарича „гръбнак“ (на английски. гръбнак - „Hi-tech“). Структурата на пръстена също е възможна в света: когато част от пръстен се провали, информацията може да бъде изпратена до друга част на пръстена. Със звезден системен дизайн, централният офис и периферната архитектура работят - те са подходящи за разпределена архитектура. Може да има затворени и отворени структури, разклонени, подобно на мрежата Пекин-Шанхай, това е един вид „гръбнак“ с набор от мрежи за дълги разстояния.
Квантова и пост-квантова криптография
Не приемайте, че криптографията е такаваизключително за компании от финансовия или банковия сектор, това засяга всички. Всички ние трябва да обменяме данни в криптирана форма, защото част от информацията, която използваме, всъщност е с висока стойност. Например, искаме да направим покупка в Интернет с помощта на кредитна карта. За да направим това, трябва по някакъв начин да прехвърлим данните на кредитната карта в банката, но за да може банката да отпише парите, но нападателят не го прави.
Криптографската парадигма се основава на факта, че методъттрансформацията е известна на нападателя. Тоест той знае как криптираме, но не знае единствения таен параметър за криптиране - криптографския ключ. Това означава, че за да приложим цикъла на криптиране, трябва по някакъв начин да обменим криптографски ключ с получателя на информацията.
Как мога да прехвърля ключове?За решаването на този проблем бяха използвани специални куриери на държавно и фирмено ниво. Методът се прилага частично и до днес - например от дипломати. Недостатъците на този подход са очевидни: той е сложен, икономически неосъществим и е функционално подходящ само за много малък брой операции - няма да можете да си купите книга в Интернет по този начин.
Някъде в средата на 70-те и 80-те години новКонцепцията е криптография с публичен ключ. Идеята е, че можем да генерираме криптографски ключ чрез прилагане на някакъв набор от математически процедури. Така че ние, легитимните потребители, ще трябва само да извършваме ефективни математически операции, като например умножаване на числа. И за да могат нападателите да получат достъп до нашите ключове, те ще трябва да приложат сложна операция - например разлагане на числа на прости множители.
Тази концепция работи чудесно и днес, ноВ един момент стана ясно, че в момента, в който се появи достатъчно мощен квантов компютър, сегашното поколение алгоритми, изградени върху проблеми като разлагането на числа на прости множители, ще престанат да бъдат стабилни. Ще са необходими нови средства за генериране на криптографски ключове, тъй като основният уязвим елемент на криптографията с появата на квантовия компютър ще бъде разпределението на ключовете и цифровите подписи.
Има два принципно нови подхода къмразрешаване на проблема. Първият е квантова криптография, която е разпределение на квантовия ключ (което описахме по -рано). Квантовата криптография работи така: ние кодираме битове информация в единични квантови състояния на светлина (фотон) и ги предаваме. Нивото на грешки при предаването може веднага да определи степента на проникване на нарушители. Ако процентът на грешки не надвишава определен праг, ние казваме, че можем да съкратим ключовете си по специален начин, така че информацията за прихващането за съкратените ключове да е незначителна. Тази процедура се нарича „закаляване“ и е необходима за получаване на окончателните секретни ключове.
Така решаваме проблема с разпределениетокриптографски ключове, ако натрапниците имат квантов компютър, тъй като квантовата криптография не може да бъде разбита с квантов компютър. Предимства: Фундаментална, базирана на физика сигурност. Недостатъци: ограничения на разстоянието, разходите и скоростта на генериране на ключове. Важно е също да се отбележи, че системите за разпределение на квантови ключове са сложни хардуерни и софтуерни системи. Въпреки факта, че сигурността на квантово генерираните ключове се доказва въз основа на аксиомите на квантовата механика, винаги съществува опасност от уязвимости в конкретна физическа реализация.
Втори подход - пост -квантова криптография - идеясъздаване на нови асиметрични криптографски алгоритми, изградени не върху проблемите за разлагане на числата на основни фактори, а върху други сложни математически проблеми, при решаването на които квантовият компютър няма да има предимства. Например, търсене на сблъсък на хеш функция. Оказва се, че ако изградим подпис или разпределение на ключове върху такива, както се казва, пост-квантови примитиви, можем да се предпазим от атаки с помощта на квантов компютър.
Постквантовата криптография днес е достатъчнадобре развити: вече са представени търговски библиотеки, решения, продукти. Сега технологията преминава през етапа на стандартизация: както в Русия, така и в света има процес на решаване кои решения ще бъдат стандартизирани. Мисля, че на хоризонта 2024 г. стандартите ще бъдат фиксирани. Предимства на технологията: простота и висока скорост на интеграция (тъй като говорим за софтуер), редовни актуализации на софтуера. Вече днес такива решения се използват за укрепване на защитата на ценни данни на широка гама от услуги и приложения за корпоративни потребители и физически лица (уеб, мобилни и десктоп приложения). Основният недостатък е, че тайната на постквантовата криптография все още се основава на някои предположения за трудността при решаването на определени класове математически проблеми. Винаги има някаква хипотетична вероятност да се появи "пост-квантов" компютър, с който ще бъде възможно да се хакнат пост-квантови алгоритми. За разлика от квантовото разпределение на ключовете. Тук няма принципно доказуема сила - такива алгоритми продължават да се изучават от гледна точка на тяхната устойчивост.
Заслужава да се отбележи, че тези две технологии могат да бъдатмного добре комбинирани. По този начин силно натоварените опорни канали за предаване на данни между, например, центрове за данни на големи компании могат да бъдат защитени с помощта на квантова криптография. И нашата кореспонденция или банкова транзакция за хиляда рубли се извършва с помощта на постквантова криптография. Тоест, квантовата и постквантовата криптография не трябва да се противопоставят, а продуктивно да ги мислим като синергични технологии. Просто единият е по-фокусиран върху стековия слой, свързан с инфраструктурата, а другият е свързан с потребителя.
Стандартът за квантова криптография също е такъвсе формира. Стандартът ще бъде специфичен протокол, тоест специфичен метод за това какво квантово състояние трябва да се вземе, как да се подготви и измери и какво да се прави с него след това. Засега има един кандидат за стандарти - протоколът BB84 с измамни състояния. Този протокол гарантира генериране на таен ключ. Но постоянно се появяват нови протоколи.
Квантови блокчейн и стартиращи компании
През последните години се обръща много внимание наблокчейн технологии – технологии за управление на разпределени бази данни. Блокчейните използват два важни криптографски инструмента. Първо, електронни подписи за потвърждаване на авторството на транзакциите, които искаме да изпратим до блоковете. Второ, разнообразие от методи за постигане на консенсус. Например, един от методите, доказателство за работа (на английски, proof-of-work - „High-Tech“), се основава на криптографски хеш функции.
Blockchain е уязвим срещу квантов компютър вособено ако се използват електронни подписи и механизми за консенсус, които не са устойчиви на квантови компютърни атаки. Въпреки това е възможно да се създадат блокови вериги, които са устойчиви на такива атаки — квантово защитени (квантови) блокови вериги. Квантовият блокчейн използва квантова или постквантова криптография (или комбинация от тях) и позволява подписите и консенсусът да бъдат направени по-устойчиви на квантов компютър.
Предмет на интереса на руските потребителиможем да очакваме появата на квантов блокчейн в страната в бъдеще две до три години. Първоначално е необходимо да се създаде инфраструктура от квантови комуникационни мрежи, върху които в бъдеще ще бъде създадена разпределена система.
Квантовата комуникация е най -популярнатапосока за работа на руски стартиращи фирми. На пазара работят няколко подразделения на големи компании, продавачи на класическа информационна сигурност. Това са стартиращи компании, базирани на ITMO University, Quanttelecom, подразделения на компании, специализирани в информационната сигурност, InfoTeKS и Cryptosoft. QRate е отделяне на Руския квантов център от 2017 г. Стартъпите са по -склонни да работят с безвъзмездни средства и частни инвестиции. Рисковите сделки в Русия все още не са ми известни.
Интернет на нещата и квантова сигурност
Много устройства за Интернет на нещата - сензори -може да бъде както класическа, така и квантова. Да кажем, че имаме набор от класически сензори, устройства за интернет на нещата, контролни шлюзове, които имат поверителна информация. За да ги свържете заедно, имате нужда от протокол за криптографска защита - отново квантови комуникации.
В тази посока засега има самопрототипи, които защитават отделни елементи или устройства - твърде рано е да се говори за индустриален мащаб. Първо, светът трябва да разбере стойността на посоката, да избере устройството за Интернет на нещата, което се нуждае от защита и ефективно да приложи квантова комуникация. Освен това трябва да се преодолеят редица технически бариери.
Днес не е съвсем ясно какво точно имаИнтернет на нещата трябва да бъде защитен на такова високо ниво. С разпространението на технологията Internet of Things обаче ще се повиши стойността на информацията и стойността на нейното хакване. На теория хакването може да бъде особено опасно при напълно автоматизирано производство. По този начин, ако сензорите предават неправилна информация към центъра за вземане на решения, решенията ще бъдат взети неправилно и икономическите щети от такава атака могат да бъдат доста значителни.
Пет индустрии, където квантовите комуникации ще бъдат приложени скоро
- Финанси.Банките са първите, които внедряват новите технологии.
- Публичния сектор.Тук комуникациите са свързани с потребителски данни, правителствени системи, избори, т.е. всички области, в които високото ниво на защита е важно.
- Телекомуникации.Услуги за отдалечено съхранение на информация (добрата защита също е важна за тях). Данните за съхранение могат да бъдат криптирани с помощта на квантов метод.
- Лекарство.Светът събира все повече и повече генетични данни,които определят целия живот на човек и неговите черти. В редица страни вече тече процес за придаване на правна сила на част от генетичните данни на дадено лице, като се приравнява с паспортните данни. Също така е важно да ги предпазите от атаки и манипулации.
- енергия.Важно е да се защити управлението на голяма инфраструктура, системи за автоматизация и пренос на енергия. Криптографията вече се използва на много места в такива системи.
Квантови комуникации в света и в Русия
Квантовите комуникации по целия свят станаха част отнационални програми за квантови технологии. Експертите смятат Китай за световен лидер, но комуникациите се развиват активно и в Европейския съюз. Японската компания Toshiba поддържа лаборатория в Кеймбридж, няколко проекта работят в Обединеното кралство и в САЩ (но последните все още са по-фокусирани върху квантовите изчисления).
Сферата на квантовите комуникации в Русия изглежда такаинвестиционно привлекателен. Технологичното ниво на руската квантова криптография днес е сравнимо с глобалното и някои решения за последваща обработка на ключове изглеждат по-добре от техните световни колеги.
Като всяка сравнително млада технология,Квантовите комуникации имат определени трудности с широкото развитие. Докато няма прецедент в света с хакване или кражба на каквато и да е ценна информация с помощта на квантов компютър, квантовото криптиране изглежда по-скоро като застраховка. Хората не разбират дали потенциалът му се реализира напълно, което от своя страна затруднява привличането на инвестиции. За да докажете потенциал, имате нужда от поне един хак. Освен това, за да го разкрием, на руския пазар липсват проекти като пътна карта; масово производство на устройства и опити за подобряването им.
Не всички компании открито споделят данни даликакъв етап от развитието са техните решения. QRate има готов продукт за промишлена употреба, тества се от потенциални клиенти - например Газпромбанк. Sber също тества системите на компанията за устойчивост на грешки в продължение на една година. Стартъпът разработва квантова комуникационна технология с акцент върху внедряването на оптични влакна.
Строителството започна през декември 2020 г.гръбначна квантова мрежа Москва - Санкт Петербург от Руските железници. Това е линия, която ще се състои от сегменти на разстояние 100-200 км. Те са необходими за намаляване на загубите при предаване на сигнал, повторно шифроване на сигнала в възлите. Класически надеждни възли в мрежата се използват, тъй като квантовите повторители все още не са достатъчно развити (друг от големите научни проблеми). Като цяло тази мрежа е пример за икономически жизнеспособен проект в областта на квантовите комуникации с голямо количество данни, циркулиращи между Москва и Санкт Петербург. Мрежата ще помогне, наред с други неща, да защити комуникационните канали, чрез които ще бъдат контролирани безпилотни сапсани и лястовици.
Прочетете още:
Забавянето на въртенето на Земята предизвика отделянето на кислород на планетата
Астрономите забелязват необичайни структури в дълбокия космос
Вижте още 60 000-годишно неандерталско скално изкуство