Что такое квантовые коммуникации
Sugiero comenzar con lo básico y mirar la frase en sí. tiene
La dirección más desarrollada dentro de la tecnología.- criptografía cuántica o, más precisamente, distribución de claves cuánticas. Este es un conjunto de métodos destinados a generar una clave secreta compartida entre usuarios remotos, que luego se utiliza para el cifrado.
Otra tarea de las comunicaciones cuánticas es la transmisión.Información cuántica entre computadoras cuánticas. Las tecnologías avanzan sin problemas hacia el desarrollo de la computación cuántica distribuida, es decir, la creación, por ejemplo, de una computadora cuántica central y muchas máquinas periféricas que resuelven algunas subtareas y se transmiten datos entre sí. Una alternativa a esto podría ser un conjunto de procesadores cuánticos remotos interconectados. En febrero de 2021, un grupo de investigadores de Alemania demostró la posibilidad de transferir información cuántica entre dos procesadores cuánticos modulares. Los resultados del experimento fueron publicados en la revista Science. Este es un paso importante en el desarrollo de la tecnología, que demostró que es posible aumentar el poder de las tecnologías de computación cuántica combinando varios dispositivos en una red.
Una característica tecnológica interesante esEl hecho es que si en las computadoras cuánticas elegimos una plataforma que sea más efectiva para resolver ciertos problemas, entonces con el intercambio de información cuántica todo es obvio: los fotones, es decir, partículas de luz, hacen el mejor trabajo. Prácticamente no hay alternativas. Por tanto, los investigadores ya saben cuál será el elemento base. La única dificultad es que la información cuántica, que surge, por ejemplo, como parte del funcionamiento de una computadora cuántica superconductora, de alguna manera se traduce en un fotón que puede transmitirse a largas distancias. Y luego conviértalo nuevamente a la forma que sea accesible para una computadora cuántica. Si la criptografía cuántica es un frente tecnológico claro que se encuentra en un nivel muy alto de preparación, entonces el campo de las comunicaciones cuánticas asociadas con el intercambio de información cuántica entre computadoras cuánticas es una gran tarea que se encuentra en una etapa bastante temprana.
Mientras que en la computación cuántica es una práctica comúnHablando de volumen cuántico: aumentar el número de qubits y la precisión de las operaciones, en las comunicaciones cuánticas en un contexto amplio todavía no existe una métrica única. En criptografía cuántica, los científicos se centran en la tasa de generación de claves a cualquier distancia. La mayoría de las veces, la velocidad de generación de claves se considera de 50 km, lo que permite comparar diferentes dispositivos. En ocasiones también estudian algunas características limitantes, por ejemplo, la distancia máxima para generar claves.
Quanta ferroviario
Hay varias áreas alrededor del sistema de transporte ferroviario donde las comunicaciones cuánticas (incluida la criptografía) podrían resultar útiles.
En primer lugar, esta es una historia sobre fibra óptica.cables. El cable de fibra óptica es una de las principales herramientas para transmitir información cuántica. En criptografía cuántica, lo usamos para transmitir fotones que forman claves criptográficas.
En segundo lugar, la propia infraestructura ferroviaria:un conjunto de objetos técnicos complejos que deben protegerse. Idealmente, si tuviéramos una distribución cuántica de claves a lo largo de las líneas ferroviarias, podríamos usar estas claves cuánticas para resolver los problemas de seguridad de la información que surgen en la industria ferroviaria.
Y, finalmente, muchas rutas ferroviarias:no solo el transporte de personas, sino también el transporte de una gran cantidad de datos diversos. Por ejemplo, Moscú - Petersburgo, uno de los proyectos insignia de los ferrocarriles rusos. El valor de la ruta es obvio: hay una cantidad colosal de usuarios de datos en Moscú y no menos en San Petersburgo. Intercambian una gran cantidad de información significativa que debe protegerse, por lo que la idea de utilizar la criptografía cuántica está sin duda justificada económicamente.
Por lo general, la implementación de la distribución cuántica.Las claves entre dos puntos A y B, ubicados a una distancia de más de cien kilómetros, se llevan a cabo agregando nodos de confianza intermedios adicionales en la ruta de A a B. Dicha red se denomina "backbone" (en inglés. backbone - "Alta tecnología"). Una estructura de anillo también es posible en el mundo: cuando una parte de un anillo falla, la información se puede enviar a otra parte del anillo. Con un diseño de sistema en estrella, la oficina central y la arquitectura periférica funcionan, son adecuadas para una arquitectura distribuida. Puede haber estructuras cerradas y abiertas, ramificadas, como la red Beijing-Shanghai, esta es una especie de "columna vertebral" con un conjunto de redes de larga distancia.
Criptografía cuántica y poscuántica
No asuma que la criptografía esexclusivamente para empresas del sector financiero o bancario, concierne a todos. Todos tenemos que intercambiar datos en forma cifrada, porque parte de la información que utilizamos es realmente de gran valor. Por ejemplo, queremos realizar una compra en Internet utilizando una tarjeta de crédito. Para hacer esto, necesitamos transferir de alguna manera los detalles de la tarjeta de crédito al banco, pero para que el banco pueda cancelar el dinero, pero el atacante no.
El paradigma de la criptografía se basa en el hecho de que el métodoEl atacante conoce la transformación. Es decir, sabe cómo ciframos, pero no conoce el único parámetro de cifrado secreto: la clave criptográfica. Esto significa que para implementar el ciclo de cifrado, necesitamos de alguna manera intercambiar una clave criptográfica con el destinatario de la información.
¿Cómo puedo transferir claves?Para solucionar este problema se utilizaron correos especiales a nivel estatal y empresarial. El método se aplica parcialmente hasta el día de hoy, por ejemplo, por parte de los diplomáticos. Las desventajas de este enfoque son obvias: es complejo, no es económicamente factible y funcionalmente sólo es adecuado para un número muy pequeño de operaciones; de esta manera no se podrá comprar un libro en Internet.
En algún momento a mediados de los años 70 y 80 apareció un nuevoEl concepto es criptografía de clave pública. La idea es que podamos generar una clave criptográfica implementando algún conjunto de procedimientos matemáticos. Así, nosotros, usuarios legítimos, sólo necesitaremos realizar operaciones matemáticas eficientes, como por ejemplo multiplicar números. Y para que los atacantes puedan acceder a nuestras claves, deberán implementar una operación compleja, por ejemplo, descomponer números en factores primos.
Este concepto todavía funciona muy bien hoy en día, peroEn algún momento, quedó claro que en el momento en que apareciera una computadora cuántica suficientemente poderosa, la generación actual de algoritmos, basados en problemas como la factorización de números en factores primos, dejaría de ser estable. Se necesitarán nuevos medios para generar claves criptográficas, ya que el principal elemento vulnerable de la criptografía con la llegada de una computadora cuántica será la distribución de claves y las firmas digitales.
Hay dos enfoques fundamentalmente nuevos pararesolviendo el problema. La primera es la criptografía cuántica, que es la distribución de claves cuánticas (que describimos anteriormente). La criptografía cuántica funciona así: codificamos bits de información en estados cuánticos únicos de luz (fotón) y los transmitimos. El nivel de errores en la transmisión puede determinar inmediatamente el grado de intrusión de intrusos. Si la tasa de error no supera un cierto umbral, decimos que podemos acortar nuestras claves de una manera especial para que la información del interceptor sobre las claves acortadas sea insignificante. Este procedimiento se denomina "endurecimiento" y es necesario para obtener las claves secretas finales.
Así, resolvemos el problema de la distribuciónclaves criptográficas si los intrusos tienen una computadora cuántica, ya que la criptografía cuántica no se puede romper con una computadora cuántica. Beneficios: seguridad fundamental basada en la física. Desventajas: restricciones en la distancia, el costo y la velocidad de generación de claves. También es importante tener en cuenta que los sistemas de distribución de claves cuánticas son sistemas complejos de hardware y software. A pesar de que la seguridad de las claves generadas cuánticamente se demuestra sobre la base de los axiomas de la mecánica cuántica, siempre existe el peligro de vulnerabilidades en una implementación física específica.
Segundo enfoque - Criptografía post-cuántica - Ideacreación de nuevos algoritmos criptográficos asimétricos, basados no en los problemas de descomposición de números en factores primos, sino en otros problemas matemáticos complejos, en cuya solución una computadora cuántica no tendrá ventajas. Por ejemplo, buscando una colisión de una función hash. Resulta que si construimos una firma o distribución de claves en tales, como dicen, primitivas post-cuánticas, podemos protegernos de los ataques usando una computadora cuántica.
La criptografía poscuántica es suficiente hoybien desarrollado: bibliotecas comerciales, soluciones y productos ya están presentados. Ahora la tecnología está pasando por la etapa de estandarización: tanto en Rusia como en el mundo hay un proceso para decidir qué soluciones se estandarizarán. Creo que en el horizonte de 2024 se fijarán las normas. Ventajas de la tecnología: simplicidad y alta velocidad de integración (ya que estamos hablando de software), actualizaciones periódicas de software. Hoy en día, estas soluciones se utilizan para reforzar la protección de datos valiosos de una amplia gama de servicios y aplicaciones para usuarios corporativos y particulares (aplicaciones web, móviles y de escritorio). La principal desventaja es que el secreto de la criptografía poscuántica todavía se basa en algunas suposiciones sobre la dificultad de resolver ciertas clases de problemas matemáticos. Siempre existe una probabilidad hipotética de que aparezca una computadora "postcuántica", con la que será posible piratear algoritmos poscuánticos. A diferencia de la distribución de claves cuánticas. Aquí no hay ninguna fuerza fundamentalmente demostrable: estos algoritmos continúan estudiándose desde el punto de vista de su resistencia.
Vale la pena señalar que estas dos tecnologías pueden sermuy bien combinado. De este modo, los canales de transmisión de datos troncales muy cargados entre, por ejemplo, centros de datos de grandes empresas pueden protegerse mediante criptografía cuántica. Y nuestra correspondencia o transacción bancaria por mil rublos se realiza mediante criptografía poscuántica. Es decir, no se debe oponer la criptografía cuántica y poscuántica, sino pensar productivamente en ellas como tecnologías sinérgicas. Es solo que uno está más centrado en la capa de pila relacionada con la infraestructura y el otro está relacionado con el usuario.
El estándar de criptografía cuántica también esse está formando. El estándar será un protocolo específico, es decir, un método específico sobre qué estado cuántico se debe tomar, cómo prepararlo y medirlo, y qué hacer con él a continuación. Hasta ahora hay un candidato a estándar: el protocolo BB84 con estados engañosos. Este protocolo garantiza la generación de claves secretas. Pero constantemente aparecen nuevos protocolos.
Blockchain cuántica y startups
En los últimos años se ha prestado mucha atención aTecnologías blockchain: tecnologías para gestionar bases de datos distribuidas. Las cadenas de bloques utilizan dos herramientas criptográficas importantes. En primer lugar, firmas electrónicas para confirmar la autoría de las transacciones que queremos enviar a los bloques. En segundo lugar, una variedad de métodos para lograr el consenso. Por ejemplo, uno de los métodos, la prueba de trabajo (en inglés, prueba de trabajo - "High-Tech"), se basa en funciones hash criptográficas.
Blockchain es vulnerable contra una computadora cuántica enparticularmente si se utilizan firmas electrónicas y mecanismos de consenso, que no son resistentes a los ataques informáticos cuánticos. Sin embargo, es posible crear cadenas de bloques que sean resistentes a tales ataques: cadenas de bloques cuánticas (cuánticas). La cadena de bloques cuántica utiliza criptografía cuántica o poscuántica (o una combinación de ellas) y permite que las firmas y el consenso sean más resistentes a una computadora cuántica.
Sujeto al interés de los usuarios rusosPodemos esperar la aparición de una cadena de bloques cuántica en el país en el futuro de dos a tres años. Inicialmente, es necesario crear una infraestructura de redes de comunicación cuántica, sobre la que se creará un sistema distribuido en el futuro.
La comunicación cuántica es la más popular.dirección para el trabajo de startups rusas. Varias divisiones de grandes empresas, proveedores de seguridad de la información clásica, operan en el mercado. Se trata de startups basadas en ITMO University, Quanttelecom, divisiones de empresas especializadas en seguridad de la información, InfoTeKS y Cryptosoft. QRate es una escisión del Russian Quantum Center desde 2017. Es más probable que las empresas emergentes trabajen con subvenciones e inversión privada. Todavía desconozco los acuerdos de riesgo en Rusia.
Internet de las cosas y seguridad cuántica
Muchos dispositivos de Internet de las Cosas (sensores)Puede ser tanto clásico como cuántico. Digamos que tenemos un conjunto de sensores clásicos, dispositivos de Internet de las cosas, puertas de enlace de control que tienen información confidencial. Para conectarlos, necesita un protocolo de protección criptográfica; nuevamente, comunicaciones cuánticas.
En esta dirección, hasta el momento sólo hayprototipos que protegen elementos o dispositivos individuales: es demasiado pronto para hablar de escala industrial. En primer lugar, el mundo necesita comprender el valor de la dirección, seleccionar el dispositivo de Internet de las cosas que necesita protección e implementar de manera efectiva la comunicación cuántica. Además, es necesario superar una serie de barreras técnicas.
Hoy en día no está del todo claro qué hay exactamente enEs necesario proteger el Internet de las cosas a un nivel tan alto. Sin embargo, a medida que la tecnología de Internet de las cosas se difunda, también lo hará el valor de la información y el valor de piratearla. En teoría, la piratería puede ser especialmente peligrosa en una producción totalmente automatizada. Por lo tanto, si los sensores transmiten información incorrecta al centro de toma de decisiones, las decisiones se tomarán incorrectamente y el daño económico de tal ataque puede ser bastante significativo.
Пять индустрий, в которых квантовые коммуникации будут применимы в ближайшее время
- Finanzas.Los bancos son los primeros en adoptar las nuevas tecnologías.
- Sector público.Aquí, las comunicaciones están relacionadas con datos de usuarios, sistemas gubernamentales, elecciones, es decir, todas áreas en las que un alto nivel de protección es importante.
- Telecomunicaciones.Servicios de almacenamiento remoto de información (para ellos también es importante una buena protección). Los datos para el almacenamiento se pueden cifrar mediante un método cuántico.
- Medicamento.El mundo recopila cada vez más datos genéticos,que determinan toda la vida de una persona y sus características. En varios países, ya se está llevando a cabo un proceso para dar fuerza legal a una parte de los datos genéticos de una persona, equiparándolo con los datos del pasaporte. También es importante protegerlos de los ataques y la manipulación.
- Energía.Es importante proteger la gestión de grandes infraestructuras, sistemas de automatización y transmisión de energía. La criptografía ya se utiliza en muchos puntos de dichos sistemas.
Comunicaciones cuánticas en el mundo y en Rusia
Las comunicaciones cuánticas en todo el mundo se han convertido en parte deprogramas nacionales sobre tecnologías cuánticas. Los expertos consideran que China es el líder mundial, pero en la Unión Europea también se están desarrollando activamente las comunicaciones. La empresa japonesa Toshiba tiene un laboratorio en Cambridge, hay varios proyectos en marcha en Gran Bretaña y Estados Unidos (pero estos últimos están todavía más centrados en la computación cuántica).
La esfera de las comunicaciones cuánticas en Rusia pareceinversión atractiva. El nivel tecnológico de la criptografía cuántica rusa actual es comparable al global, y algunas soluciones para el posprocesamiento de claves se ven mejor que sus contrapartes mundiales.
Como cualquier tecnología bastante joven,Las comunicaciones cuánticas tienen ciertas dificultades con un desarrollo generalizado. Hasta que no exista un precedente en el mundo con piratería o robo de información valiosa utilizando una computadora cuántica, el cifrado cuántico parece más bien un seguro. La gente no entiende si su potencial se está aprovechando plenamente, lo que a su vez dificulta atraer inversiones. Para demostrar su potencial, necesita al menos un truco. Además, para revelarlo, el mercado ruso carece de proyectos como una hoja de ruta; producción en masa de dispositivos e intentos de mejorarlos.
No todas las empresas comparten abiertamente datos sobre sien qué etapa de desarrollo se encuentran sus soluciones. QRate tiene un producto terminado listo para uso industrial, lo están probando clientes potenciales, por ejemplo, Gazprombank. Sber también probó la tolerancia a fallas de los sistemas de la compañía durante un año. La startup está desarrollando tecnología de comunicación cuántica con un enfoque en la implementación de fibra óptica.
La construcción comenzó en diciembre de 2020Red troncal cuántica Moscú - San Petersburgo por Russian Railways. Se trata de una línea que constará de tramos a una distancia de 100-200 km. Son necesarios para reducir las pérdidas en la transmisión de señales, volver a cifrar la señal en los nodos. Los nodos clásicos de confianza en la red se utilizan porque los repetidores cuánticos aún no están lo suficientemente desarrollados (otro de los grandes problemas científicos). En general, esta red es un ejemplo de un proyecto económicamente viable en el campo de las comunicaciones cuánticas con una gran cantidad de datos circulando entre Moscú y San Petersburgo. La red ayudará, entre otras cosas, a proteger los canales de comunicación a través de los cuales se controlarán los Sapsans y Swallows no tripulados.
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