Что такое квантовые коммуникации
Ich schlage vor, mit den Grundlagen zu beginnen und sich den Satz selbst anzusehen. Er hat
Die am weitesten entwickelte Richtung innerhalb der Technologie- Quantenkryptographie, genauer gesagt, Quantenschlüsselverteilung. Dies ist eine Reihe von Methoden, die darauf abzielen, einen gemeinsamen geheimen Schlüssel zwischen entfernten Benutzern zu generieren, der dann zur Verschlüsselung verwendet wird.
Eine weitere Aufgabe der Quantenkommunikation ist die ÜbertragungQuanteninformation zwischen Quantencomputern. Die Technologien bewegen sich reibungslos in Richtung der Entwicklung des verteilten Quantencomputings, also der Schaffung beispielsweise eines zentralen Quantencomputers und vieler Peripheriemaschinen, die einige Teilaufgaben lösen und Daten untereinander übertragen. Eine Alternative dazu könnte eine Reihe miteinander verbundener entfernter Quantenprozessoren sein. Im Februar 2021 demonstrierte eine Forschergruppe aus Deutschland die Möglichkeit, Quanteninformationen zwischen zwei modularen Quantenprozessoren zu übertragen. Die Ergebnisse des Experiments wurden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht. Dies ist ein wichtiger Schritt in der Technologieentwicklung, der gezeigt hat, dass es möglich ist, die Leistung von Quantencomputertechnologien durch die Kombination mehrerer Geräte zu einem Netzwerk zu steigern.
Ein interessantes technologisches Merkmal istTatsache ist: Wenn wir in Quantencomputern eine Plattform wählen, die am effektivsten zur Lösung bestimmter Probleme geeignet ist, dann ist beim Austausch von Quanteninformationen alles klar: Photonen, also Lichtteilchen, leisten den besten Job. Es gibt praktisch keine Alternativen. Daher wissen Forscher bereits, wie die Elementbasis aussehen wird. Die einzige Schwierigkeit besteht darin, dass Quanteninformationen, die beispielsweise beim Betrieb eines supraleitenden Quantencomputers entstehen, irgendwie in ein Photon übersetzt werden, das über große Entfernungen übertragen werden kann. Und es dann wieder in die Form umwandeln, die einem Quantencomputer zugänglich ist. Wenn die Quantenkryptographie eine klare technologische Front ist, die sich in einem sehr hohen Entwicklungsstadium befindet, dann ist der Bereich der Quantenkommunikation, der mit dem Austausch von Quanteninformationen zwischen Quantencomputern verbunden ist, eine große Aufgabe, die sich noch in einem relativ frühen Stadium befindet.
Während es im Quantencomputing gängige Praxis istApropos Quantenvolumen – Erhöhung der Anzahl von Qubits und der Genauigkeit von Operationen – in der Quantenkommunikation im weitesten Sinne gibt es noch keine einzige Metrik. Bei der Quantenkryptographie konzentrieren sich Wissenschaftler auf die Geschwindigkeit der Schlüsselgenerierung über jede Distanz. Am häufigsten wird die Schlüsselgenerierungsgeschwindigkeit von 50 km berücksichtigt, was einen Vergleich verschiedener Geräte ermöglicht. Manchmal untersuchen sie auch einige einschränkende Eigenschaften, beispielsweise den maximalen Abstand zur Schlüsselgenerierung.
Bahnquanten
Es gibt mehrere Bereiche rund um das Schienenverkehrssystem, in denen Quantenkommunikation (einschließlich Kryptographie) nützlich sein könnte.
Dies ist zunächst eine Geschichte über GlasfaserKabel. Glasfaserkabel sind eines der wichtigsten Werkzeuge zur Übertragung von Quanteninformationen. In der Quantenkryptografie verwenden wir es, um Photonen zu übertragen, die kryptografische Schlüssel bilden.
Zweitens die Eisenbahninfrastruktur selbst -eine Reihe komplexer technischer Objekte, die geschützt werden müssen. Wenn wir eine Quantenverteilung von Schlüsseln entlang von Bahnstrecken hätten, könnten wir im Idealfall diese Quantenschlüssel verwenden, um Informationssicherheitsprobleme in der Bahnindustrie zu lösen.
Und schließlich viele Bahnstrecken -nicht nur der Transport von Personen, sondern auch der Transport einer großen Menge unterschiedlicher Daten. Zum Beispiel Moskau - Petersburg, eines der Vorzeigeprojekte der russischen Eisenbahnen. Der Wert der Route liegt auf der Hand: Es gibt eine kolossale Zahl von Datennutzern in Moskau und nicht weniger in St. Petersburg. Sie tauschen eine große Menge aussagekräftiger Informationen aus, die es zu schützen gilt, sodass die Idee, die Quantenkryptographie einzusetzen, wirtschaftlich ohne Zweifel gerechtfertigt ist.
Normalerweise ist die Implementierung der QuantenverteilungSchlüssel zwischen zwei Punkten A und B, die sich in einer Entfernung von mehr als hundert Kilometern befinden, erfolgt durch Hinzufügen zusätzlicher vertrauenswürdiger Zwischenknoten auf der Route von A nach B. Ein solches Netzwerk wird als "Backbone" (auf Englisch. Backbone) bezeichnet - "Hi-Tech"). Auch in der Welt ist eine Ringstruktur möglich: Wenn ein Teil eines Rings ausfällt, können Informationen an einen anderen Teil des Rings gesendet werden. Bei einem sternförmigen Systemdesign funktionieren die Zentrale und die periphere Architektur – sie eignen sich für eine verteilte Architektur. Es kann geschlossene und offene Strukturen geben, verzweigt, wie das Peking-Shanghai-Netz, dies ist eine Art "Rückgrat" mit einer Reihe von Fernnetzen.
Quanten- und Post-Quanten-Kryptographie
Gehen Sie nicht davon aus, dass Kryptographieausschließlich für Unternehmen aus dem Finanz- oder Bankensektor, es geht jeden an. Wir alle müssen Daten in verschlüsselter Form austauschen, denn einige der Informationen, die wir verwenden, sind tatsächlich von hohem Wert. Beispielsweise möchten wir mit einer Kreditkarte im Internet einkaufen. Dazu müssen wir die Kreditkartendaten irgendwie an die Bank übermitteln, damit die Bank das Geld abschreiben kann, der Angreifer jedoch nicht.
Das Kryptographie-Paradigma basiert auf der Tatsache, dass die MethodeDie Transformation ist dem Angreifer bekannt. Das heißt, er weiß, wie wir verschlüsseln, aber er kennt nicht den einzigen geheimen Verschlüsselungsparameter – den kryptografischen Schlüssel. Das bedeutet, dass wir zur Umsetzung des Verschlüsselungszyklus irgendwie einen kryptografischen Schlüssel mit dem Empfänger der Informationen austauschen müssen.
Wie kann ich Schlüssel übertragen?Um dieses Problem zu lösen, wurden auf Landes- und Unternehmensebene spezielle Kuriere eingesetzt. Teilweise wird die Methode bis heute umgesetzt – beispielsweise von Diplomaten. Die Nachteile dieses Ansatzes liegen auf der Hand: Er ist aufwändig, wirtschaftlich nicht sinnvoll und funktionell nur für sehr wenige Operationen geeignet – ein Buchkauf im Internet wird man auf diese Weise nicht durchführen können.
Irgendwann in der Mitte der 70er und 80er Jahre ein neuesKonzept ist Public-Key-Kryptographie. Die Idee ist, dass wir einen kryptografischen Schlüssel generieren können, indem wir einige mathematische Verfahren implementieren. Wir, legitime Benutzer, müssen also nur effiziente mathematische Operationen ausführen, wie zum Beispiel das Multiplizieren von Zahlen. Und damit Angreifer Zugriff auf unsere Schlüssel erhalten, müssen sie eine komplexe Operation durchführen – zum Beispiel die Faktorisierung von Zahlen in Primfaktoren.
Dieses Konzept funktioniert auch heute noch hervorragend, aberIrgendwann wurde klar, dass die aktuelle Generation von Algorithmen, die auf Problemen wie der Faktorisierung von Zahlen in Primfaktoren basiert, sobald ein ausreichend leistungsfähiger Quantencomputer auftaucht, nicht mehr stabil sein würde. Es werden neue Mittel zur Generierung kryptografischer Schlüssel benötigt, da das größte anfällige Element der Kryptografie mit der Einführung eines Quantencomputers die Schlüsselverteilung und digitale Signaturen sein werden.
Es gibt zwei grundlegend neue Ansätze, umLösung des Problems. Die erste ist die Quantenkryptographie, die eine Quantenschlüsselverteilung ist (die wir zuvor beschrieben haben). Die Quantenkryptographie funktioniert so: Wir codieren Informationsbits in einzelne Quanten-Lichtzustände (Photonen) und übertragen sie. Die Fehlerquote bei der Übertragung kann sofort den Grad des Eindringens von Eindringlingen bestimmen. Wenn die Fehlerrate einen bestimmten Schwellenwert nicht überschreitet, sagen wir, dass wir unsere Schlüssel auf besondere Weise kürzen können, sodass die Abfanginformationen über die gekürzten Schlüssel vernachlässigbar sind. Dieses Verfahren wird "Härten" genannt und ist erforderlich, um die endgültigen geheimen Schlüssel zu erhalten.
Damit lösen wir das Verteilungsproblemkryptografische Schlüssel, wenn Eindringlinge einen Quantencomputer besitzen, da die Quantenkryptografie mit einem Quantencomputer nicht gebrochen werden kann. Vorteile: Grundlegende, physikbasierte Sicherheit. Nachteile: Einschränkungen hinsichtlich Entfernung, Kosten und Geschwindigkeit der Schlüsselgenerierung. Es ist auch wichtig zu beachten, dass Quantenschlüsselverteilungssysteme komplexe Hardware- und Softwaresysteme sind. Obwohl die Sicherheit quantengenerierter Schlüssel anhand der Axiome der Quantenmechanik nachgewiesen wird, besteht immer die Gefahr von Schwachstellen in einer konkreten physikalischen Implementierung.
Zweiter Ansatz – Post-Quanten-Kryptographie – IdeeSchaffung neuer asymmetrischer kryptographischer Algorithmen, die nicht auf den Problemen der Zerlegung von Zahlen in Primfaktoren basieren, sondern auf anderen komplexen mathematischen Problemen, bei deren Lösung ein Quantencomputer keine Vorteile haben wird. Zum Beispiel die Suche nach einer Kollision einer Hash-Funktion. Es stellt sich heraus, dass wir uns vor Angriffen mit einem Quantencomputer schützen können, wenn wir eine Signatur oder Verteilung von Schlüsseln auf solchen, wie sie sagen, Post-Quanten-Primitiven aufbauen.
Postquantenkryptographie reicht heute ausgut entwickelt: kommerzielle Bibliotheken, Lösungen, Produkte sind bereits vorgestellt. Jetzt durchläuft die Technologie die Phase der Standardisierung: Sowohl in Russland als auch auf der Welt wird entschieden, welche Lösungen standardisiert werden. Ich denke, dass am Horizont des Jahres 2024 die Standards festgelegt werden. Vorteile der Technologie: Einfachheit und hohe Integrationsgeschwindigkeit (da es sich um Software handelt), regelmäßige Software-Updates. Bereits heute werden solche Lösungen eingesetzt, um den Schutz wertvoller Daten einer Vielzahl von Diensten und Anwendungen von Unternehmensanwendern und Privatpersonen (Web-, Mobil- und Desktop-Anwendungen) zu stärken. Der Hauptnachteil besteht darin, dass die Geheimhaltung der Post-Quanten-Kryptographie immer noch auf einigen Annahmen über die Schwierigkeit der Lösung bestimmter Klassen mathematischer Probleme beruht. Es besteht immer eine hypothetische Wahrscheinlichkeit, dass ein „Post-Quanten“-Computer auftaucht, mit dem es möglich sein wird, Post-Quanten-Algorithmen zu hacken. Im Gegensatz zur Quantenschlüsselverteilung. Hier gibt es keine grundsätzlich nachweisbare Stärke – solche Algorithmen werden weiterhin unter dem Gesichtspunkt ihrer Widerstandsfähigkeit untersucht.
Es ist erwähnenswert, dass diese beiden Technologien möglich sindsehr gut kombiniert. So können hochbelastete Backbone-Datenübertragungskanäle beispielsweise zwischen Rechenzentren großer Unternehmen durch Quantenkryptographie geschützt werden. Und unsere Korrespondenz oder eine Banktransaktion über tausend Rubel erfolgt mithilfe der Post-Quanten-Kryptographie. Das heißt, Quanten- und Postquantenkryptographie sollten nicht gegensätzlich sein, sondern sie sollten produktiv als synergistische Technologien betrachtet werden. Es ist nur so, dass sich der eine mehr auf die Stapelschicht in Bezug auf die Infrastruktur konzentriert und der andere auf den Benutzer.
Der Quantenkryptographiestandard ist ebenfalls vorhandenentsteht. Der Standard wird ein spezifisches Protokoll sein, das heißt eine spezifische Methode dafür, welcher Quantenzustand erfasst werden muss, wie er vorbereitet und gemessen wird und was als nächstes damit zu tun ist. Bisher gibt es einen Kandidaten für Standards – das BB84-Protokoll mit irreführenden Zuständen. Dieses Protokoll garantiert die Generierung geheimer Schlüssel. Es erscheinen jedoch ständig neue Protokolle.
Quanten-Blockchain und Start-ups
In den letzten Jahren wurde viel Aufmerksamkeit darauf gelegtBlockchain-Technologien – Technologien zur Verwaltung verteilter Datenbanken. Blockchains nutzen zwei wichtige kryptografische Werkzeuge. Erstens elektronische Signaturen zur Bestätigung der Urheberschaft von Transaktionen, die wir an Blöcke senden möchten. Zweitens verschiedene Methoden zur Konsensfindung. Beispielsweise basiert eine der Methoden, Proof of Work (auf Englisch Proof-of-Work – „High-Tech“), auf kryptografischen Hash-Funktionen.
Blockchain ist anfällig für einen Quantencomputerinsbesondere wenn elektronische Signaturen und Konsensmechanismen verwendet werden, die nicht resistent gegen Quantencomputerangriffe sind. Es ist jedoch möglich, Blockchains zu erstellen, die gegen solche Angriffe resistent sind – quantensichere (Quanten-)Blockchains. Die Quantenblockchain nutzt entweder Quanten- oder Postquantenkryptographie (oder eine Kombination davon) und ermöglicht es, Signaturen und Konsens resistenter gegen einen Quantencomputer zu machen.
Vorbehaltlich des Interesses der russischen Benutzerwir können in den nächsten zwei bis drei Jahren mit der Entstehung einer Quanten-Blockchain im Land rechnen. Zunächst gilt es, eine Infrastruktur von Quantenkommunikationsnetzen zu schaffen, auf der zukünftig ein verteiltes System entstehen soll.
Quantenkommunikation ist am beliebtestenRichtung für die Arbeit russischer Startups. Auf dem Markt agieren mehrere Geschäftsbereiche großer Unternehmen, Anbieter klassischer Informationssicherheit. Dies sind Startups basierend auf der ITMO University, Quanttelecom, Abteilungen von Unternehmen, die sich auf Informationssicherheit spezialisiert haben, InfoTeKS und Cryptosoft. QRate ist seit 2017 ein Spin-off des russischen Quantenzentrums. Startups arbeiten eher mit Zuschüssen und privaten Investitionen. Venture Deals in Russland sind mir noch unbekannt.
Internet der Dinge und Quantensicherheit
Viele Internet-of-Things-Geräte – Sensoren –kann sowohl klassisch als auch quantenmäßig sein. Nehmen wir an, wir verfügen über eine Reihe klassischer Sensoren, Geräte für das Internet der Dinge und Steuerungsgateways, die vertrauliche Informationen enthalten. Um sie miteinander zu verbinden, benötigen Sie ein kryptografisches Schutzprotokoll – wiederum Quantenkommunikation.
In diese Richtung gibt es bisher nurPrototypen, die einzelne Elemente oder Geräte schützen – es ist noch zu früh, um über industriellen Maßstab zu sprechen. Erstens muss die Welt den Wert der Richtung verstehen, das zu schützende Gerät für das Internet der Dinge auswählen und die Quantenkommunikation effektiv implementieren. Darüber hinaus müssen eine Reihe technischer Hürden überwunden werden.
Heute ist nicht ganz klar, was genau drin istDas Internet der Dinge muss auf einem so hohen Niveau geschützt werden. Mit der Verbreitung der Internet-of-Things-Technologie steigt jedoch auch der Wert von Informationen und der Wert des Hackens. Theoretisch kann Hacking in der vollautomatisierten Produktion besonders gefährlich sein. Wenn also Sensoren falsche Informationen an die Entscheidungszentrale übermitteln, werden Entscheidungen falsch getroffen, und der wirtschaftliche Schaden durch einen solchen Angriff kann erheblich sein.
Fünf Branchen, in denen Quantenkommunikation bald eingesetzt wird
- Finanzen.Banken sind die ersten Anwender neuer Technologien.
- Öffentlicher Sektor.Hierbei geht es um die Kommunikation mit Nutzerdaten, Regierungssystemen, Wahlen, also mit allen Bereichen, in denen ein hohes Schutzniveau wichtig ist.
- Telekommunikation.Remote-Informationsspeicherdienste (für sie ist auch ein guter Schutz wichtig). Daten zur Speicherung können mithilfe einer Quantenmethode verschlüsselt werden.
- Medizin.Die Welt sammelt immer mehr genetische Daten,die das ganze Leben eines Menschen und seine Eigenschaften bestimmen. In einer Reihe von Ländern ist bereits ein Verfahren im Gange, um einem Teil der genetischen Daten einer Person Rechtskraft zu verleihen und sie mit Passdaten gleichzusetzen. Wichtig ist auch, sie vor Angriffen und Manipulationen zu schützen.
- Energie.Es ist wichtig, das Management großer Infrastrukturen, Automatisierungssysteme und Energieübertragung zu schützen. Kryptographie wird in solchen Systemen bereits an vielen Stellen eingesetzt.
Quantenkommunikation in der Welt und in Russland
Quantenkommunikation auf der ganzen Welt ist Teil davon gewordennationale Programme zu Quantentechnologien. Experten halten China für weltweit führend, aber auch in der Europäischen Union entwickelt sich die Kommunikation aktiv weiter. Das japanische Unternehmen Toshiba unterhält ein Labor in Cambridge, mehrere Projekte laufen in Großbritannien und in den USA (letztere konzentrieren sich jedoch noch stärker auf Quantencomputing).
Die Sphäre der Quantenkommunikation in Russland sieht aus wieInvestition attraktiv. Das technologische Niveau der russischen Quantenkryptographie ist heute mit dem globalen vergleichbar, und einige Lösungen für die Nachbearbeitung von Schlüsseln sehen besser aus als ihre weltweiten Pendants.
Wie jede relativ junge Technologie,Die Quantenkommunikation hat gewisse Schwierigkeiten mit der breiten Entwicklung. Bis es weltweit einen Präzedenzfall für das Hacken oder Diebstahl wertvoller Informationen mithilfe eines Quantencomputers gibt, sieht die Quantenverschlüsselung eher wie eine Versicherung aus. Die Menschen verstehen nicht, ob ihr Potenzial vollständig ausgeschöpft wird, was es wiederum schwierig macht, Investitionen anzuziehen. Um das Potenzial zu beweisen, benötigen Sie mindestens einen Hack. Außerdem mangelt es dem russischen Markt an Projekten wie einer Roadmap; Massenproduktion von Geräten und Versuche, diese zu verbessern.
Nicht alle Unternehmen teilen offen Daten darüber, obin welchem Entwicklungsstadium sind ihre Lösungen. QRate hat ein fertiges Produkt für den industriellen Einsatz, es wird von potenziellen Kunden getestet - zum Beispiel Gazprombank. Sber testete außerdem ein Jahr lang die Systeme des Unternehmens auf Fehlertoleranz. Das Startup entwickelt Quantenkommunikationstechnologie mit Schwerpunkt auf der Glasfaserimplementierung.
Baubeginn im Dezember 2020Backbone-Quantennetz Moskau - St. Petersburg von Russian Railways. Dies ist eine Linie, die aus Segmenten in einer Entfernung von 100-200 km bestehen wird. Sie werden benötigt, um Verluste bei der Signalübertragung, Neuverschlüsselung des Signals an den Knoten zu reduzieren. Da Quantenrepeater noch nicht ausreichend entwickelt sind (ein weiteres großes wissenschaftliches Problem), werden klassische Trusted Nodes im Netzwerk verwendet. Im Allgemeinen ist dieses Netzwerk ein Beispiel für ein wirtschaftlich tragfähiges Projekt im Bereich der Quantenkommunikation mit einer großen Datenmenge, die zwischen Moskau und St. Petersburg zirkuliert. Das Netzwerk wird unter anderem dazu beitragen, die Kommunikationskanäle zu schützen, über die unbemannte Sapsans und Swallows kontrolliert werden.
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