Mikä on kvanttiviestintä
Suosittelen aloittamaan perusasioista ja katsomaan itse lausetta. Hänellä on
Kehittynein suunta tekniikan sisällä- kvanttisalaus tai tarkemmin sanottuna kvanttiavainten jakelu. Tämä on joukko menetelmiä, joiden tarkoituksena on luoda jaettu salainen avain etäkäyttäjien välillä, jota käytetään sitten salaukseen.
Toinen kvanttiviestinnän tehtävä on siirtokvanttitietoa kvanttitietokoneiden välillä. Tekniikat etenevät tasaisesti kohti hajautetun kvanttilaskennan kehitystä eli esimerkiksi keskuskvanttitietokoneen ja monia oheislaitteita, jotka ratkaisevat joitain osatehtäviä ja välittävät tietoja toisilleen. Vaihtoehto tälle voisi olla joukko toisiinsa kytkettyjä kvanttiprosessoreja. Helmikuussa 2021 ryhmä saksalaisia tutkijoita osoitti mahdollisuuden siirtää kvanttitietoa kahden modulaarisen kvanttiprosessorin välillä. Kokeen tulokset julkaistiin Science-lehdessä. Tämä on tärkeä askel teknologian kehityksessä, joka osoitti, että kvanttilaskentateknologioiden tehoa on mahdollista lisätä yhdistämällä useita laitteita verkkoon.
Mielenkiintoinen tekninen ominaisuus onTosiasia on, että jos kvanttitietokoneissa valitsemme alustan, joka soveltuu tehokkaimmin tiettyjen ongelmien ratkaisemiseen, niin kvanttitietojen vaihdolla kaikki on ilmeistä: fotonit, eli valon hiukkaset, tekevät parhaan työn. Vaihtoehtoja ei käytännössä ole. Siksi tutkijat ovat jo tietoisia siitä, mikä elementtipohja tulee olemaan. Ainoa vaikeus on se, että kvanttiinformaatio, joka syntyy esimerkiksi osana suprajohtavan kvanttitietokoneen toimintaa, muunnetaan jollain tavalla fotoniksi, joka voidaan siirtää pitkiä matkoja. Ja sitten muuntaa se uudelleen muotoon, joka on kvanttitietokoneen käytettävissä. Jos kvantti kryptografia on selkeä teknologinen rintama, joka on erittäin korkealla valmiusasteella, niin kvanttitietokoneiden väliseen kvanttitietojen vaihtoon liittyvä kvanttiviestinnän ala on iso tehtävä, joka on melko varhaisessa vaiheessa.
Kvanttilaskennassa se on yleinen käytäntöpuhutaan kvanttivolyymista - kubittien lukumäärän ja operaatioiden tarkkuuden lisääminen, kvanttiviestinnässä laajassa kontekstissa ei ole vielä yhtä mittaria. Kvanttisalauksessa tutkijat keskittyvät avainten luomisnopeuteen millä tahansa etäisyydellä. Useimmiten otetaan huomioon avaimen sukupolven nopeus 50 km, jonka avulla voit vertailla eri laitteita. Joskus he tutkivat myös joitain rajoittavia ominaisuuksia, esimerkiksi maksimietäisyyttä avainten luomiseen.
Rautatiekvantit
Rautatieliikennejärjestelmän ympärillä on useita alueita, joilla kvanttiviestintä (mukaan lukien kryptografia) voisi olla hyödyllistä.
Ensinnäkin tämä on tarina kuituoptiikastakaapelit. Valokuitukaapeli on yksi tärkeimmistä työkaluista kvanttitiedon siirtämiseen. Kvanttisalauksessa käytämme sitä salausavaimia muodostavien fotonien lähettämiseen.
Toiseksi rautatieinfrastruktuuri itse -joukko monimutkaisia teknisiä kohteita, jotka on suojattava. Ihannetapauksessa, jos meillä olisi avainten kvanttijako rautateiden varrella, voisimme käyttää näitä kvanttiavaimia ratkaistaksesi rautatiealan tietoturvaongelmia.
Ja lopuksi monet rautatiet -ei ainoastaan ihmisten kuljetus, vaan myös suuren määrän erilaisten tietojen kuljettaminen. Esimerkiksi Moskova - Pietari, yksi Venäjän rautateiden lippulaivahankkeista. Reitin arvo on ilmeinen: Moskovassa on valtava määrä datakäyttäjiä ja yhtä paljon Pietarissa. He vaihtavat suuren määrän merkityksellistä suojattavaa tietoa, joten ajatus kvanttisalauksen käytöstä on epäilemättä taloudellisesti perusteltu.
Yleensä kvanttijakauman toteuttaminenavaimet kahden pisteen A ja B välillä, jotka sijaitsevat yli sadan kilometrin etäisyydellä, suoritetaan lisäämällä lisää luotettavia välisolmuja reitillä paikasta A paikkaan B. Tällaista verkkoa kutsutaan "selkärankaksi" (englanniksi. backbone) - "Hi-tech"). Rengasrakenne on myös mahdollista maailmassa: kun osa renkaasta epäonnistuu, tiedot voidaan lähettää toiselle renkaan osalle. Tähtisysteemisuunnittelun ansiosta keskustoimisto ja oheisarkkitehtuuri toimivat - ne soveltuvat hajautetulle arkkitehtuurille. Siellä voi olla suljettuja ja avoimia rakenteita, haarautuneita, kuten Pekingin ja Shanghain verkko, tämä on eräänlainen "selkäranka" kaukoverkkojen kanssa.
Kvantti- ja kvanttien jälkeinen salaus
Älä oleta, että salaus onkoskee vain rahoitus- tai pankkialan yrityksiä, se koskee kaikkia. Meidän kaikkien on vaihdettava tietoja salatussa muodossa, koska osa käyttämistämme tiedoista on todella arvokasta. Haluamme esimerkiksi tehdä ostoksen Internetissä luottokortilla. Tätä varten meidän on jotenkin siirrettävä luottokortin tiedot pankille, mutta niin, että pankki voi poistaa rahat, mutta hyökkääjä ei.
Salausparadigma perustuu siihen, että menetelmämuunnos on hyökkääjän tiedossa. Toisin sanoen hän tietää kuinka salaamme, mutta hän ei tiedä ainoaa salaista salausparametria - kryptografista avainta. Tämä tarkoittaa, että salaussyklin toteuttamiseksi meidän on jotenkin vaihdettava salausavain tiedon vastaanottajan kanssa.
Kuinka voin siirtää avaimet?Tämän ongelman ratkaisemiseksi käytettiin erityisiä kuriireita valtion ja yrityksen tasolla. Menetelmä on osittain toteutettu tähän päivään asti - esimerkiksi diplomaattien toimesta. Tämän lähestymistavan haitat ovat ilmeiset: se on monimutkainen, ei taloudellisesti kannattavaa ja soveltuu toiminnallisesti vain hyvin pieneen määrään operaatioita – et voi ostaa kirjaa Internetistä tällä tavalla.
Jossain 70- ja 80-luvun puolivälissä uusikäsite on julkisen avaimen salaus. Ajatuksena on, että voimme luoda kryptografisen avaimen toteuttamalla joitain matemaattisia menettelyjä. Joten meidän, laillisten käyttäjien, tarvitsee vain suorittaa tehokkaita matemaattisia operaatioita, kuten kertoa lukuja. Ja jotta hyökkääjät pääsevät käsiksi avaimiimme, heidän on toteutettava monimutkainen toiminto - esimerkiksi laskettava numerot alkutekijöiksi.
Tämä konsepti toimii edelleen loistavasti, muttaJossain vaiheessa kävi selväksi, että kun riittävän tehokas kvanttitietokone ilmestyy, nykyinen algoritmien sukupolvi, joka perustuu ongelmiin, kuten lukujen laskeminen alkutekijöiksi, lakkaa olemasta vakaa. Uusia tapoja luoda kryptografisia avaimia tarvitaan, sillä kvanttitietokoneen myötä salauksen tärkein haavoittuva elementti on avainten jakelu ja digitaaliset allekirjoitukset.
On olemassa kaksi täysin uutta lähestymistapaaongelman ratkaiseminen. Ensimmäinen on kvanttikryptografia, joka on kvanttiavainjakauma (jonka kuvailimme aiemmin). Kvanttisalaus toimii näin: me koodaamme tiedon bitit yksittäisiksi valon kvanttitiloiksi (fotoniksi) ja välitämme ne. Lähetysvirheiden taso voi välittömästi määrittää tunkeutujien tunkeutumisasteen. Jos virhetaso ei ylitä tiettyä kynnystä, sanomme, että voimme lyhentää avaimiamme erityisellä tavalla niin, että lyhennettyjen avainten sieppaajatiedot ovat vähäisiä. Tätä menettelyä kutsutaan "kovettamiseksi", ja sitä tarvitaan lopullisten salaisten avainten hankkimiseksi.
Näin ratkaisemme jakeluongelmansalausavaimet, jos tunkeilijoilla on kvanttitietokone, koska kvanttisalausta ei voida rikkoa kvanttitietokoneella. Edut: Perusfysiikkapohjainen turvallisuus. Haitat: avaimen tuottamisen etäisyyden, kustannusten ja nopeuden rajoitukset. On myös tärkeää huomata, että kvanttiavainten jakelujärjestelmät ovat monimutkaisia laitteisto- ja ohjelmistojärjestelmiä. Huolimatta siitä, että kvanttimuotoisten avainten turvallisuus todistetaan kvanttimekaniikan aksioomien perusteella, tietyn fyysisen toteutuksen haavoittuvuusriski on aina olemassa.
Toinen lähestymistapa - kvanttien jälkeinen salaus - Ideauusien epäsymmetristen salausalgoritmien luominen, jotka eivät perustu numeroiden hajoamiseen alkutekijöihin, vaan muihin monimutkaisiin matemaattisiin ongelmiin, joiden ratkaisemisessa kvanttitietokoneella ei ole etuja. Esimerkiksi hajautusfunktion törmäyksen etsiminen. On käynyt ilmi, että jos rakennamme allekirjoituksen tai jaamme avaimet sellaisille, kuten sanotaan, kvanttien jälkeisille primitiiveille, voimme suojautua hyökkäyksiltä kvanttitietokoneella.
Kvanttisen jälkeinen kryptografia riittää nykyäänhyvin kehittynyt: kaupallisia kirjastoja, ratkaisuja, tuotteita on jo esitelty. Nyt tekniikka käy läpi standardointivaihetta: sekä Venäjällä että muualla maailmassa päätetään, mitkä ratkaisut standardisoidaan. Luulen, että vuoden 2024 horisontissa standardit ovat kunnossa. Tekniikan edut: yksinkertaisuus ja nopea integrointi (koska puhumme ohjelmistoista), säännölliset ohjelmistopäivitykset. Tällaisia ratkaisuja käytetään jo nykyään vahvistamaan useiden palveluiden ja sovellusten arvokkaan datan suojaa yrityskäyttäjille ja yksityishenkilöille (verkko-, mobiili- ja työpöytäsovellukset). Suurin haittapuoli on, että postkvanttisalauksen salassapito perustuu edelleen joihinkin oletuksiin tiettyjen matemaattisten ongelmien luokkien ratkaisemisen vaikeudesta. Aina on jonkinlainen hypoteettinen todennäköisyys, että ilmaantuu "post-kvantti" tietokone, jolla on mahdollista hakkeroida post-kvanttialgoritmeja. Toisin kuin kvanttiavaimen jakelu. Tässä ei ole pohjimmiltaan todistettavaa vahvuutta - tällaisia algoritmeja tutkitaan edelleen niiden vastustuskyvyn näkökulmasta.
On syytä huomata, että nämä kaksi tekniikkaa voivat ollaerittäin hyvin yhdistetty. Näin paljon kuormitettuja runkoverkkotiedonsiirtokanavia esimerkiksi suurten yritysten datakeskusten välillä voidaan suojata kvanttisalauksella. Ja kirjeenvaihtomme tai pankkitapahtumamme tuhannella ruplalla tapahtuu postkvanttisalauksella. Toisin sanoen kvantti- ja jälkikvanttisalausta ei pidä vastustaa, vaan ajatella niitä tuottavasti synergistisinä teknologioina. Yksi on vain keskittynyt enemmän infrastruktuuriin liittyvään pinokerrokseen ja toinen käyttäjään.
Kvanttisalausstandardi on myöson muodostumassa. Standardi on erityinen protokolla, eli erityinen menetelmä siitä, mikä kvanttitila on otettava, miten se valmistetaan ja mitataan ja mitä sille tehdään seuraavaksi. Toistaiseksi standardiehdokas on yksi - BB84-protokolla, jossa on petolliset tilat. Tämä protokolla takaa salaisen avaimen luomisen. Mutta uusia protokollia ilmestyy jatkuvasti.
Quantum blockchain ja käynnistykset
Viime vuosina siihen on kiinnitetty paljon huomiotablockchain-teknologiat - teknologiat hajautettujen tietokantojen hallintaan. Lohkoketjut käyttävät kahta tärkeää salaustyökalua. Ensinnäkin sähköiset allekirjoitukset vahvistamaan lohkoille lähetettävien tapahtumien tekijän. Toiseksi useita menetelmiä konsensuksen saavuttamiseksi. Esimerkiksi yksi menetelmistä, proof of work (englanniksi proof-of-work - “High-Tech”), perustuu kryptografisiin hash-funktioihin.
Blockchain on haavoittuvainen kvanttitietokoneellevarsinkin jos käytetään sähköisiä allekirjoituksia ja konsensusmekanismeja, jotka eivät kestä kvanttitietokonehyökkäyksiä. On kuitenkin mahdollista luoda lohkoketjuja, jotka kestävät tällaisia hyökkäyksiä - kvanttiturvallisia (kvantti) lohkoketjuja. Kvanttilohkoketju käyttää joko kvantti- tai postkvanttisalausta (tai niiden yhdistelmää) ja mahdollistaa allekirjoitusten ja konsensuksen tekemisen vastustuskykyisemmiksi kvanttitietokonetta vastaan.
Venäläisten käyttäjien edun mukaisestivoimme odottaa kvanttilohkoketjun syntymistä maassa kahden tai kolmen vuoden kuluttua. Aluksi on tarpeen luoda kvanttiviestintäverkkojen infrastruktuuri, johon tulevaisuudessa luodaan hajautettu järjestelmä.
Kvanttiviestintä on suosituinvenäläisten startup -yritysten työn suunta. Useita suurten yritysten divisioonia, klassisen tietoturvan myyjiä, toimii markkinoilla. Nämä ovat ITMO -yliopistoon, Quanttelecomiin, tietoturvaan erikoistuneiden yritysten divisiooniin, InfoTeKSiin ja Cryptosoftiin perustuvia startup -yrityksiä. QRate on Venäjän kvanttikeskuksen spin-off vuodesta 2017. Aloittavat yritykset työskentelevät todennäköisemmin avustuksilla ja yksityisillä investoinneilla. Venture -kaupat Venäjällä ovat minulle vielä tuntemattomia.
Esineiden internet ja kvanttiturvallisuus
Monet esineiden internet -laitteet - anturit -voi olla sekä klassista että kvanttia. Oletetaan, että meillä on joukko klassisia antureita, esineiden internet-laitteita, ohjausyhdyskäytäviä, joissa on luottamuksellisia tietoja. Niiden yhdistämiseen tarvitaan salaussuojausprotokolla - jälleen kvanttiviestintä.
Tähän suuntaan on toistaiseksi vainprototyypit, jotka suojaavat yksittäisiä elementtejä tai laitteita - on liian aikaista puhua teollisesta mittakaavasta. Ensinnäkin maailman on ymmärrettävä suunnan arvo, valittava suojausta tarvitseva esineiden internet -laite ja toteutettava kvanttiviestintä tehokkaasti. Lisäksi on voitettava useita teknisiä esteitä.
Nykyään ei ole täysin selvää, mitä se sisältääEsineiden internetiä on suojattava näin korkealla tasolla. Esineiden Internet-tekniikan leviämisen myötä tiedon arvo ja sen hakkeroinnin arvo kuitenkin kasvavat. Teoriassa hakkerointi voi olla erityisen vaarallista täysin automatisoidussa tuotannossa. Siten jos anturit välittävät väärää tietoa päätöksentekokeskukseen, päätökset tehdään virheellisesti ja tällaisen hyökkäyksen taloudellinen vahinko voi olla varsin merkittävä.
Viisi teollisuutta, joilla kvanttiviestintää aletaan soveltaa pian
- Rahoittaa.Pankit ovat uuden teknologian ensimmäisiä omaksujia.
- Julkisen sektorin.Tässä viestintä liittyy käyttäjätietoihin, hallituksen järjestelmiin, vaaleihin, eli kaikkiin alueisiin, joilla korkea suojaustaso on tärkeää.
- Tietoliikenne.Tietojen etätallennuspalvelut (hyvä suojaus on myös heille tärkeää). Tallennustiedot voidaan salata kvanttimenetelmällä.
- Lääke.Maailma kerää yhä enemmän geneettistä tietoa,jotka määräävät koko ihmisen elämän ja sen piirteet. Monissa maissa on jo meneillään prosessi, jolla osalle henkilön geneettisistä tiedoista annetaan laillista voimaa, ja ne rinnastetaan passitietoihin. On myös tärkeää suojella heitä hyökkäyksiltä ja manipuloinnilta.
- Energiaa.On tärkeää suojata suuren infrastruktuurin, automaatiojärjestelmien ja energiansiirron hallinta. Kryptografiaa käytetään jo useissa kohdissa tällaisissa järjestelmissä.
Kvanttiviestintä maailmassa ja Venäjällä
Kvanttiviestinnästä ympäri maailmaa on tullut osakansalliset kvanttiteknologiaa koskevat ohjelmat. Asiantuntijat pitävät Kiinaa maailmanjohtajana, mutta viestintä kehittyy aktiivisesti myös Euroopan unionissa. Japanilainen yritys Toshiba ylläpitää laboratoriota Cambridgessa, useita projekteja on käynnissä Isossa-Britanniassa ja Yhdysvalloissa (mutta jälkimmäiset keskittyvät edelleen enemmän kvanttilaskentaan).
Venäjän kvanttiviestinnän ala näyttää siltäinvestointi houkutteleva. Venäjän kvanttisalauksen tekninen taso on nykyään verrattavissa globaaliin, ja jotkin avainten jälkikäsittelyratkaisut näyttävät paremmilta kuin maailman vastaavat.
Kuten mikä tahansa melko nuori tekniikka,Kvanttiviestinnällä on tiettyjä vaikeuksia laajalle levinneelle kehitykselle. Kvanttisalaus näyttää enemmän vakuutukselta, kunnes maailmassa on ennakkotapausta minkä tahansa arvokkaan tiedon hakkeroinnista tai varkaudesta kvanttitietokoneella. Ihmiset eivät ymmärrä, käytetäänkö sen potentiaalia täysimääräisesti, mikä puolestaan vaikeuttaa investointien houkuttelemista. Todistaaksesi potentiaalin, tarvitset vähintään yhden hakkeroinnin. Lisäksi Venäjän markkinoilta puuttuu tiekartan kaltaisia projekteja; laitteiden massatuotanto ja yritykset parantaa niitä.
Kaikki yritykset eivät jaa avoimesti tietoja siitä, onkomissä kehitysvaiheessa niiden ratkaisut ovat. QRatella on valmis tuote teolliseen käyttöön, ja mahdolliset asiakkaat - esimerkiksi Gazprombank - testaavat sitä. Sber testasi myös yrityksen järjestelmien vikasietoisuutta vuoden ajan. Startup -yritys kehittää kvanttiviestintäteknologiaa keskittyen kuituoptiseen toteutukseen.
Rakentaminen alkoi joulukuussa 2020Venäjän rautateiden kvanttiverkko Moskova - Pietari. Tämä on linja, joka koostuu segmenteistä 100-200 km: n etäisyydellä. Niitä tarvitaan vähentämään signaalinsiirron häviöitä ja signaalin uudelleensalausta solmuissa. Klassisia luotettavia solmuja verkossa käytetään, koska kvanttitoistimet eivät ole vielä riittävän kehittyneitä (toinen iso tieteellinen ongelma). Yleensä tämä verkko on esimerkki taloudellisesti kannattavasta kvanttiviestinnän hankkeesta, jossa Moskovan ja Pietarin välillä kiertää paljon dataa. Verkko auttaa muun muassa suojaamaan viestintäkanavia, joiden kautta miehittämättömiä Sapsaneja ja Swallowsia hallitaan.
Lue lisää:
Maapallon pyörimisen hidastuminen aiheutti hapen vapautumista planeetalle
Tähtitieteilijät havaitsevat epätavallisia rakenteita syvässä avaruudessa
Katso lisää 60 000 vuotta vanhaa neandertalin kalliotaidetta