Hvad er kvantekommunikation
Jeg foreslår at starte med det grundlæggende og se på selve sætningen. Han har
Den mest udviklede retning inden for teknologien- kvantekryptografi eller mere præcist kvantnøglefordeling. Dette er et sæt metoder, der sigter mod at generere en delt hemmelig nøgle mellem eksterne brugere, som derefter bruges til kryptering.
En anden opgave med kvantekommunikation er transmissionenkvanteinformation mellem kvantecomputere. Teknologier bevæger sig jævnt hen imod udviklingen af distribueret kvanteberegning, det vil sige skabelsen af for eksempel en central kvantecomputer og mange perifere maskiner, der løser nogle delopgaver og transmitterer data til hinanden. Et alternativ til dette kunne være et sæt indbyrdes forbundne fjernkvanteprocessorer. I februar 2021 demonstrerede en gruppe forskere fra Tyskland muligheden for at overføre kvanteinformation mellem to modulære kvanteprocessorer. Resultaterne af eksperimentet blev offentliggjort i tidsskriftet Science. Dette er et vigtigt skridt i udviklingen af teknologi, som viste, at det er muligt at øge kraften i kvantecomputerteknologier ved at kombinere flere enheder i et netværk.
En interessant teknologisk funktion erFaktum er, at hvis vi i kvantecomputere vælger en platform, der er mest effektivt egnet til at løse visse problemer, så er alt indlysende med udvekslingen af kvanteinformation: fotoner, det vil sige lyspartikler, gør det bedste stykke arbejde. Der er praktisk talt ingen alternativer. Derfor er forskerne allerede klar over, hvad grundstofbasen vil være. Den eneste vanskelighed er, at kvanteinformation, som fx opstår som en del af driften af en superledende kvantecomputer, på en eller anden måde oversættes til en foton, der kan transmitteres over lange afstande. Og konverter det så igen til den form, der er tilgængelig for en kvantecomputer. Hvis kvantekryptografi er en klar teknologisk front, der er på et meget højt beredskabsstadium, så er området for kvantekommunikation forbundet med udveksling af kvanteinformation mellem kvantecomputere en stor opgave, der er på et ret tidligt stadie.
Mens det er i kvanteberegning er det almindelig praksistaler om kvantevolumen - at øge antallet af qubits og nøjagtigheden af operationer, i kvantekommunikation i en bred sammenhæng er der endnu ikke en enkelt metrik. I kvantekryptografi fokuserer videnskabsmænd på hastigheden af nøglegenerering over enhver afstand. Oftest overvejes nøglegenereringshastigheden på 50 km, hvilket giver dig mulighed for at sammenligne forskellige enheder. Nogle gange studerer de også nogle begrænsende egenskaber, for eksempel den maksimale afstand til generering af nøgler.
Jernbanekvant
Der er flere områder omkring jernbanetransportsystemet, hvor kvantekommunikation (inklusive kryptografi) kunne være nyttig.
Først og fremmest er dette en historie om fiberoptikkabler. Fiberoptisk kabel er et af hovedværktøjerne til overførsel af kvanteinformation. I kvantekryptografi bruger vi den til at transmittere fotoner, der danner kryptografiske nøgler.
For det andet selve jernbaneinfrastrukturen -et sæt komplekse tekniske objekter, der skal beskyttes. Ideelt set, hvis vi havde en kvantefordeling af nøgler langs jernbanelinjer, kunne vi bruge disse kvantetaster til at løse informationssikkerhedsproblemer, der opstår i jernbanebranchen.
Og endelig mange jernbaneruter -ikke kun transport af mennesker, men også transport af en stor mængde forskellige data. For eksempel Moskva - Petersborg, et af flagskibsprojekterne for russiske jernbaner. Rutens værdi er indlysende: der er et kolossalt antal databrugere i Moskva og ikke mindre antal i Skt. Petersborg. De udveksler en stor mængde meningsfuld information, der skal beskyttes, så ideen om at bruge kvantekryptografi er uden tvivl økonomisk begrundet.
Normalt implementering af kvantefordelingnøgler mellem to punkter A og B, der ligger i en afstand af mere end hundrede kilometer, udføres ved at tilføje yderligere mellemliggende betroede noder på ruten fra A til B. Et sådant netværk kaldes en "rygrad" (på engelsk. backbone - "Hi-tech"). En ringstruktur er også mulig i verden: Når en del af en ring mislykkes, kan information sendes til en anden del af ringen. Med et stjernesystemdesign, det centrale kontor og det perifere arkitekturarbejde - er de velegnede til en distribueret arkitektur. Der kan være lukkede og åbne strukturer, forgrenet, ligesom Beijing-Shanghai-netværket, dette er en slags "rygrad" med et sæt langdistancenetværk.
Quantum og post-quantum cryptography
Antag ikke, at kryptografi erudelukkende for virksomheder i finans- eller banksektoren, det angår alle. Vi er alle nødt til at udveksle data i krypteret form, fordi nogle af de oplysninger, vi bruger, faktisk er af høj værdi. For eksempel vil vi foretage et køb på internettet ved hjælp af et kreditkort. For at gøre dette skal vi på en eller anden måde overføre kreditkortoplysningerne til banken, men for at banken kan afskrive pengene, men angriberen ikke gør det.
Kryptografiparadigmet bygger på, at metodentransformation er kendt af angriberen. Det vil sige, han ved, hvordan vi krypterer, men han kender ikke den eneste hemmelige krypteringsparameter - den kryptografiske nøgle. Det betyder, at for at implementere krypteringscyklussen skal vi på en eller anden måde udveksle en kryptografisk nøgle med modtageren af informationen.
Hvordan kan jeg overføre nøgler?For at løse dette problem blev der brugt specielle kurerer på stats- og virksomhedsniveau. Metoden er delvist implementeret den dag i dag – for eksempel af diplomater. Ulemperne ved denne tilgang er indlysende: den er kompleks, ikke økonomisk gennemførlig og er funktionelt kun egnet til et meget lille antal operationer - du vil ikke være i stand til at købe en bog på internettet på denne måde.
Et sted i midten af 70'erne og 80'erne en nykonceptet er offentlig nøgle kryptografi. Tanken er, at vi kan generere en kryptografisk nøgle ved at implementere et sæt matematiske procedurer. Så vi, legitime brugere, behøver kun at udføre effektive matematiske operationer, såsom at gange tal. Og for at angribere kan få adgang til vores nøgler, bliver de nødt til at implementere en kompleks operation - for eksempel at indregne tal i primfaktorer.
Dette koncept fungerer stadig godt i dag, menPå et tidspunkt blev det klart, at i det øjeblik en tilstrækkeligt kraftfuld kvantecomputer dukkede op, ville den nuværende generation af algoritmer, bygget på problemer som at faktorisere tal i prime faktorer, ophøre med at være stabil. Nye metoder til at generere kryptografiske nøgler vil være nødvendige, da det vigtigste sårbare element i kryptografi med fremkomsten af en kvantecomputer vil være nøgledistribution og digitale signaturer.
Der er to grundlæggende nye tilgange tilløse problemet. Den første er kvantekryptografi, som er kvantnøglefordeling (som vi beskrev tidligere). Kvantekryptografi fungerer på denne måde: Vi koder for informationer til enkelt kvantetilstande af lys (foton) og sender dem. Fejlniveauet ved transmission kan umiddelbart bestemme graden af indtrængen af ubudne gæster. Hvis fejlprocenten ikke overstiger en bestemt tærskel, siger vi, at vi kan forkorte vores nøgler på en særlig måde, så aflytteroplysningerne om de forkortede nøgler er ubetydelige. Denne procedure kaldes "hærdning" og er nødvendig for at få de sidste hemmelige nøgler.
Således løser vi problemet med distributionkryptografiske nøgler, hvis ubudne gæster har en kvantecomputer, da kvantekryptografi ikke kan brydes med en kvantecomputer. Fordele: Grundlæggende, fysikbaseret sikkerhed. Ulemper: begrænsninger på afstand, omkostninger og hastighed ved nøglegenerering. Det er også vigtigt at bemærke, at kvantnøglefordelingssystemer er komplekse hardware- og softwaresystemer. På trods af at sikkerheden ved kvantegenererede nøgler er bevist på grundlag af kvantemekanikkens aksiomer, er der altid fare for sårbarheder i en bestemt fysisk implementering.
Anden tilgang - Post -Quantum Cryptography - Idéoprettelse af nye asymmetriske kryptografiske algoritmer, der ikke er bygget på problemerne med at nedbryde tal til primfaktorer, men på andre komplekse matematiske problemer, hvis løsning en kvantecomputer ikke vil have nogen fordele. For eksempel søger du efter en kollision af en hash -funktion. Det viser sig, at hvis vi bygger en signatur eller distribution af nøgler på sådanne, som man siger, post-kvante primitiver, kan vi beskytte os mod angreb ved hjælp af en kvantecomputer.
Postkvantekryptografi er tilstrækkelig i dagveludviklet: kommercielle biblioteker, løsninger, produkter er allerede præsenteret. Nu går teknologien gennem standardiseringsstadiet: både i Rusland og i verden er der en proces med at beslutte, hvilke løsninger der skal standardiseres. Jeg tror, at i horisonten af 2024 vil standarderne være faste. Fordele ved teknologien: enkelhed og høj integrationshastighed (da vi taler om software), regelmæssige softwareopdateringer. Allerede i dag bruges sådanne løsninger til at styrke beskyttelsen af værdifulde data for en bred vifte af tjenester og applikationer fra virksomhedsbrugere og enkeltpersoner (web-, mobil- og desktopapplikationer). Den største ulempe er, at hemmeligholdelsen af post-kvantekryptografi stadig er baseret på nogle antagelser om vanskeligheden ved at løse visse klasser af matematiske problemer. Der er altid en eller anden hypotetisk sandsynlighed for, at der dukker en "post-kvante" computer op, hvormed det vil være muligt at hacke postkvantealgoritmer. I modsætning til kvantenøglefordeling. Der er ingen grundlæggende beviselig styrke her - sådanne algoritmer bliver fortsat studeret ud fra deres modstandssynspunkt.
Det er værd at bemærke, at disse to teknologier kan væremeget godt kombineret. Således kan stærkt belastede backbone-datatransmissionskanaler mellem for eksempel store virksomheders datacentre beskyttes ved hjælp af kvantekryptografi. Og vores korrespondance eller en banktransaktion til tusind rubler udføres ved hjælp af post-kvantekryptografi. Det vil sige, at kvante- og postkvantekryptografi ikke bør modarbejdes, men produktivt tænke på dem som synergistiske teknologier. Det er bare, at den ene er mere fokuseret på staklaget relateret til infrastrukturen, og den anden er relateret til brugeren.
Kvantekryptografistandarden er ogsåer ved at blive dannet. Standarden vil være en specifik protokol, det vil sige en specifik metode til, hvilken kvantetilstand der skal tages, hvordan man forbereder og måler den, og hvad man så skal gøre med den. Indtil videre er der én kandidat til standarder - BB84-protokollen med vildledende tilstande. Denne protokol garanterer generering af hemmelig nøgle. Men nye protokoller dukker hele tiden op.
Quantum blockchain og startups
I de senere år har der været meget opmærksomhedblockchain-teknologier - teknologier til styring af distribuerede databaser. Blockchains bruger to vigtige kryptografiske værktøjer. Først elektroniske signaturer for at bekræfte forfatterskabet af transaktioner, som vi ønsker at sende til blokke. For det andet en række forskellige metoder til at opnå konsensus. For eksempel er en af metoderne, proof of work (på engelsk, proof-of-work - "High-Tech"), baseret på kryptografiske hash-funktioner.
Blockchain er sårbar over for en kvantecomputer iisær hvis der anvendes elektroniske signaturer og konsensusmekanismer, som ikke er modstandsdygtige over for kvantecomputerangreb. Det er dog muligt at skabe blockchains, der er resistente over for sådanne angreb - kvantesikre (kvante) blockchains. Quantum blockchain bruger enten kvante- eller postkvantekryptografi (eller en kombination af dem) og gør det muligt at gøre signaturer og konsensus mere modstandsdygtige over for en kvantecomputer.
Med forbehold for russiske brugeres interessevi kan forvente fremkomsten af en kvanteblokchain i landet i fremtiden to til tre år. I første omgang er det nødvendigt at oprette en infrastruktur af kvantekommunikationsnetværk, hvor der i fremtiden vil blive oprettet et distribueret system.
Kvantekommunikation er den mest populæreretning for arbejdet med russiske startups. Flere divisioner af store virksomheder, leverandører af klassisk informationssikkerhed, opererer på markedet. Disse er startups baseret på ITMO University, Quanttelecom, divisioner af virksomheder med speciale i informationssikkerhed, InfoTeKS og Cryptosoft. QRate er en spin-off af Russian Quantum Center siden 2017. Startups er mere tilbøjelige til at arbejde med tilskud og private investeringer. Ventureaftaler i Rusland er stadig ukendte for mig.
Internet of Things og Quantum Security
Mange Internet of Things-enheder - sensorer -kan være både klassisk og kvante. Lad os sige, at vi har et sæt klassiske sensorer, Internet of Things-enheder, kontrolgateways, der har fortrolige oplysninger. For at forbinde dem sammen, har du brug for en kryptografisk beskyttelsesprotokol - igen, kvantekommunikation.
I denne retning er der indtil videre kunprototyper, der beskytter individuelle elementer eller enheder - det er for tidligt at tale om industriel skala. For det første skal verden forstå værdien af retningen, vælge Internet of Things-enheden, der har brug for beskyttelse, og effektivt implementere kvantekommunikation. Derudover skal en række tekniske barrierer overvindes.
I dag er det ikke helt klart, hvad der præcist er iInternet of Things skal beskyttes på et så højt niveau. Men efterhånden som Internet of Things-teknologien spredes, vil værdien af information og værdien af at hacke den også. I teorien kan hacking være særligt farligt i fuldautomatisk produktion. Hvis sensorer således sender forkert information til beslutningscentret, vil beslutninger blive truffet forkert, og den økonomiske skade fra et sådant angreb kan være ret betydelig.
Fem brancher, hvor kvantekommunikation snart vil blive anvendt
- Finansiere.Banker er de første, der bruger nye teknologier.
- Offentlige sektor.Her er kommunikation relateret til brugerdata, regeringssystemer, valg, det vil sige alle områder, hvor et højt beskyttelsesniveau er vigtigt.
- Telekommunikation.Tjenester til fjernlagring af information (god beskyttelse er også vigtig for dem). Data til opbevaring kan krypteres ved hjælp af en kvantemetode.
- Medicin.Verden indsamler flere og flere genetiske data,som bestemmer hele en persons liv og dets egenskaber. I en række lande er der allerede en proces i gang for at give en del af en persons genetiske data juridisk kraft, der sidestiller dem med pasdata. Det er også vigtigt at beskytte dem mod angreb og manipulation.
- Energi.Det er vigtigt at beskytte forvaltningen af stor infrastruktur, automationssystemer og energitransmission. Kryptografi bruges allerede mange steder i sådanne systemer.
Kvantekommunikation i verden og i Rusland
Kvantekommunikation rundt om i verden er blevet en del afnationale programmer om kvanteteknologier. Eksperter anser Kina for at være verdens førende, men kommunikation udvikles også aktivt i EU. Den japanske virksomhed Toshiba har et laboratorium i Cambridge, flere projekter arbejder i Storbritannien og i USA (men sidstnævnte er stadig mere fokuseret på kvanteberegning).
Sfæren for kvantekommunikation i Rusland lignerinvestering attraktiv. Det teknologiske niveau for russisk kvantekryptografi i dag er sammenligneligt med det globale, og nogle løsninger til efterbehandling af nøgler ser bedre ud end deres verdens kolleger.
Som enhver ret ung teknologi,Kvantekommunikation har visse vanskeligheder med udbredt udvikling. Indtil der er en præcedens i verden med hacking eller tyveri af værdifuld information ved hjælp af en kvantecomputer, ligner kvantekryptering mere forsikring. Folk forstår ikke, om dets potentiale bliver fuldt ud realiseret, hvilket igen gør det svært at tiltrække investeringer. For at bevise potentiale skal du have mindst ét hack. For at afsløre det mangler det russiske marked også projekter som en køreplan; masseproduktion af enheder og forsøg på at forbedre dem.
Ikke alle virksomheder deler åbent data om, hvorvidthvilket udviklingsstadium er deres løsninger. QRate har et færdigt produkt klar til industriel brug, det testes af potentielle kunder - for eksempel Gazprombank. Sber testede også virksomhedens systemer for fejltolerance i et år. Opstarten udvikler kvantekommunikationsteknologi med fokus på fiberoptisk implementering.
Byggeriet startede i december 2020det vigtigste kvantenetværk Moskva - Skt. Petersborg ved russiske jernbaner. Dette er en linje, der vil bestå af segmenter i en afstand på 100-200 km. De er nødvendige for at reducere tab i signaloverførsel, genkryptering af signalet ved noderne. Klassiske pålidelige noder i netværket bruges, fordi kvante -repeatere endnu ikke er tilstrækkeligt udviklede (et andet af de store videnskabelige problemer). Generelt er dette netværk et eksempel på et økonomisk levedygtigt projekt inden for kvantekommunikation med en stor mængde data, der cirkulerer mellem Moskva og Skt. Petersborg. Netværket vil blandt andet hjælpe med at beskytte kommunikationskanalerne, hvorigennem ubemandede Sapsaner og Svaler vil blive kontrolleret.
Læs mere:
Bremsningen af Jordens rotation forårsagede frigivelse af ilt på planeten
Astronomer ser usædvanlige strukturer i dybt rum
Se mere 60.000 år gammel neandertaler-rockart