Qu'est-ce que la communication quantique
Commençons par les bases et jetons un coup d’œil à la phrase elle-même.
La direction la plus développée au sein de la technologie- la cryptographie quantique, ou, plus précisément, la distribution de clés quantiques. Il s'agit d'un ensemble de méthodes visant à générer une clé secrète partagée entre utilisateurs distants, qui est ensuite utilisée pour le chiffrement.
Une autre tâche des communications quantiques est la transmissioninformations quantiques entre ordinateurs quantiques. Les technologies évoluent progressivement vers le développement de l'informatique quantique distribuée, c'est-à-dire la création, par exemple, d'un ordinateur quantique central et de nombreuses machines périphériques qui résolvent certaines sous-tâches et se transmettent des données. Une alternative à cela pourrait être un ensemble de processeurs quantiques distants interconnectés. En février 2021, un groupe de chercheurs allemands a démontré la possibilité de transférer des informations quantiques entre deux processeurs quantiques modulaires. Les résultats de l'expérience ont été publiés dans la revue Science. Il s'agit d'une étape importante dans le développement technologique, qui a montré qu'il est possible d'augmenter la puissance des technologies informatiques quantiques en combinant plusieurs appareils en réseau.
Une fonctionnalité technologique intéressante estLe fait est que si dans les ordinateurs quantiques nous choisissons la plate-forme la plus efficace pour résoudre certains problèmes, alors avec l'échange d'informations quantiques, tout est évident : les photons, c'est-à-dire les particules de lumière, font le meilleur travail. Il n'y a pratiquement aucune alternative. Par conséquent, les chercheurs savent déjà quelle sera la base des éléments. La seule difficulté est que les informations quantiques, qui apparaissent par exemple dans le cadre du fonctionnement d’un ordinateur quantique supraconducteur, sont d’une manière ou d’une autre traduites en un photon pouvant être transmis sur de longues distances. Et puis convertissez-le à nouveau sous une forme accessible à un ordinateur quantique. Si la cryptographie quantique est un front technologique clair qui en est à un stade de préparation très élevé, alors le domaine des communications quantiques associé à l'échange d'informations quantiques entre ordinateurs quantiques est une tâche importante qui en est à un stade assez précoce.
Alors qu'en informatique quantique, c'est une pratique couranteen parlant de volume quantique - augmentant le nombre de qubits et la précision des opérations, dans les communications quantiques dans un contexte large, il n'existe pas encore une seule métrique. En cryptographie quantique, les scientifiques se concentrent sur le taux de génération de clés sur n’importe quelle distance. Le plus souvent, la vitesse de génération de clé est estimée à 50 km, ce qui permet de comparer différents appareils. Parfois, ils étudient également certaines caractéristiques limitantes, par exemple la distance maximale de génération des clés.
Quanta ferroviaire
Il existe plusieurs domaines autour du système de transport ferroviaire dans lesquels les communications quantiques (y compris la cryptographie) pourraient être utiles.
Tout d'abord, c'est une histoire sur la fibre optiquecâbles. Le câble à fibre optique est l'un des principaux outils de transmission d'informations quantiques. En cryptographie quantique, nous l'utilisons pour transmettre des photons qui forment des clés cryptographiques.
Deuxièmement, l'infrastructure ferroviaire elle-même -un ensemble d'objets techniques complexes qu'il faut protéger. Idéalement, si nous disposions d'une distribution quantique des clés le long des voies ferrées, nous pourrions utiliser ces clés quantiques pour résoudre les problèmes de sécurité de l'information qui se posent dans l'industrie ferroviaire.
Et, enfin, de nombreuses voies ferrées -non seulement le transport de personnes, mais aussi le transport d'une grande quantité de données diverses. Par exemple, Moscou - Pétersbourg, l'un des projets phares des chemins de fer russes. La valeur de la route est évidente : il y a un nombre colossal d'utilisateurs de données à Moscou et pas moins à Saint-Pétersbourg. Ils échangent une grande quantité d'informations significatives qui doivent être protégées, donc l'idée d'utiliser la cryptographie quantique est sans aucun doute économiquement justifiée.
Habituellement, la mise en œuvre de la distribution quantiqueclés entre deux points A et B, situés à une distance de plus d'une centaine de kilomètres, s'effectue en ajoutant des nœuds de confiance intermédiaires supplémentaires sur la route de A à B. Un tel réseau est appelé « backbone » (en anglais. backbone - "Hi-tech"). Une structure en anneau est également possible dans le monde : lorsqu'une partie d'un anneau tombe en panne, des informations peuvent être envoyées à une autre partie de l'anneau. Avec une conception de système en étoile, le bureau central et l'architecture périphérique fonctionnent - ils conviennent à une architecture distribuée. Il peut y avoir des structures fermées et ouvertes, ramifiées, comme le réseau Pékin-Shanghai, c'est une sorte de "colonne vertébrale" avec un ensemble de réseaux longue distance.
Cryptographie quantique et post-quantique
Ne présumez pas que la cryptographie estexclusivement réservé aux entreprises du secteur financier ou bancaire, il concerne tout le monde. Nous devons tous échanger des données sous forme cryptée, car certaines des informations que nous utilisons sont en fait de grande valeur. Par exemple, nous souhaitons effectuer un achat sur Internet en utilisant une carte de crédit. Pour ce faire, nous devons en quelque sorte transférer les détails de la carte de crédit à la banque, mais pour que la banque puisse radier l'argent, mais pas l'attaquant.
Le paradigme de la cryptographie repose sur le fait que la méthodela transformation est connue de l’attaquant. Autrement dit, il sait comment nous chiffrons, mais il ne connaît pas le seul paramètre de chiffrement secret - la clé cryptographique. Cela signifie que pour mettre en œuvre le cycle de cryptage, nous devons d'une manière ou d'une autre échanger une clé cryptographique avec le destinataire des informations.
Comment puis-je transférer les clés ?Pour résoudre ce problème, des coursiers spéciaux ont été utilisés au niveau de l'État et des entreprises. Cette méthode est encore partiellement mise en œuvre à ce jour, par exemple par les diplomates. Les inconvénients de cette approche sont évidents : elle est complexe, peu réalisable économiquement et ne convient fonctionnellement que pour un très petit nombre d’opérations – vous ne pourrez pas acheter un livre sur Internet de cette façon.
Quelque part au milieu des années 70 et 80, un nouveaule concept est la cryptographie à clé publique. L’idée est que nous pouvons générer une clé cryptographique en mettant en œuvre un ensemble de procédures mathématiques. Ainsi, nous, utilisateurs légitimes, n’aurons qu’à effectuer des opérations mathématiques efficaces, comme multiplier des nombres. Et pour que les attaquants puissent accéder à nos clés, ils devront mettre en œuvre une opération complexe - par exemple, transformer des nombres en facteurs premiers.
Ce concept fonctionne toujours très bien aujourd'hui, maisÀ un moment donné, il est devenu évident qu’à partir du moment où un ordinateur quantique suffisamment puissant apparaîtrait, la génération actuelle d’algorithmes, construits sur des problèmes tels que la factorisation des nombres en facteurs premiers, cesserait d’être stable. De nouveaux moyens de génération de clés cryptographiques seront nécessaires, car le principal élément vulnérable de la cryptographie avec l'avènement d'un ordinateur quantique sera la distribution des clés et les signatures numériques.
Il existe deux approches fondamentalement nouvelles pourrésoudre le problème. La première est la cryptographie quantique, qui est la distribution de clés quantiques (que nous avons décrite précédemment). La cryptographie quantique fonctionne comme ceci : nous encodons des bits d'information dans des états quantiques uniques de lumière (photon) et les transmettons. Le niveau d'erreurs de transmission peut déterminer immédiatement le degré d'intrusion des intrus. Si le taux d'erreur ne dépasse pas un certain seuil, nous disons que nous pouvons raccourcir nos clés d'une manière spéciale afin que l'information de l'intercepteur sur les clés raccourcies soit négligeable. Cette procédure est appelée "durcissement" et est nécessaire pour obtenir les clés secrètes finales.
On résout ainsi le problème de distributionclés cryptographiques si les intrus disposent d'un ordinateur quantique, car la cryptographie quantique ne peut pas être rompue avec un ordinateur quantique. Avantages : Sécurité fondamentale basée sur la physique. Inconvénients : restrictions sur la distance, le coût et la vitesse de génération des clés. Il est également important de noter que les systèmes de distribution de clés quantiques sont des systèmes matériels et logiciels complexes. Malgré le fait que la sécurité des clés générées quantiques soit prouvée sur la base des axiomes de la mécanique quantique, il existe toujours un danger de vulnérabilités dans une implémentation physique spécifique.
Deuxième approche - Cryptographie post-quantique - Idéecréation de nouveaux algorithmes cryptographiques asymétriques, construits non pas sur les problèmes de décomposition des nombres en facteurs premiers, mais sur d'autres problèmes mathématiques complexes, dans la résolution desquels un ordinateur quantique n'aura aucun avantage. Par exemple, rechercher une collision d'une fonction de hachage. Il s'avère que si nous construisons une signature ou une distribution de clés sur de telles primitives post-quantiques, comme on dit, nous pouvons nous protéger des attaques à l'aide d'un ordinateur quantique.
La cryptographie post-quantique suffit aujourd’huibien développé : bibliothèques commerciales, solutions, produits sont déjà présentés. Aujourd'hui, la technologie passe par l'étape de normalisation : tant en Russie que dans le monde, il existe un processus permettant de décider quelles solutions seront standardisées. Je pense qu'à l'horizon 2024 les normes seront fixées. Avantages de la technologie : simplicité et grande rapidité d'intégration (puisqu'on parle de logiciel), mises à jour régulières du logiciel. Aujourd'hui déjà, de telles solutions sont utilisées pour renforcer la protection des données précieuses d'un large éventail de services et d'applications des utilisateurs d'entreprise et des particuliers (applications Web, mobiles et de bureau). Le principal inconvénient est que le secret de la cryptographie post-quantique repose encore sur certaines hypothèses sur la difficulté de résoudre certaines classes de problèmes mathématiques. Il existe toujours une probabilité hypothétique qu’un ordinateur « post-quantique » apparaisse, avec lequel il sera possible de pirater des algorithmes post-quantiques. Contrairement à la distribution de clés quantiques. Il n'y a pas ici de force fondamentalement prouvable - de tels algorithmes continuent d'être étudiés du point de vue de leur résistance.
Il convient de noter que ces deux technologies peuvent êtretrès bien combiné. Ainsi, les canaux de transmission de données de base très chargés entre, par exemple, les centres de données de grandes entreprises peuvent être protégés grâce à la cryptographie quantique. Et notre correspondance ou une transaction bancaire de mille roubles est effectuée à l'aide de la cryptographie post-quantique. Autrement dit, il ne faut pas opposer la cryptographie quantique et post-quantique, mais plutôt les considérer de manière productive comme des technologies synergiques. C'est juste que l'un est davantage axé sur la couche de pile liée à l'infrastructure, et l'autre est liée à l'utilisateur.
La norme de cryptographie quantique est égalementest en train de se former. La norme sera un protocole spécifique, c'est-à-dire une méthode spécifique indiquant quel état quantique doit être pris, comment le préparer et le mesurer, et quoi en faire ensuite. Jusqu'à présent, il existe un candidat pour une norme : le protocole BB84 avec des états trompeurs. Ce protocole garantit la génération de clés secrètes. Mais de nouveaux protocoles apparaissent constamment.
Blockchain quantique et startups
Ces dernières années, une grande attention a été portée àtechnologies blockchain - technologies de gestion de bases de données distribuées. Les blockchains utilisent deux outils cryptographiques importants. Premièrement, les signatures électroniques pour confirmer la paternité des transactions que nous souhaitons envoyer aux blocs. Deuxièmement, diverses méthodes pour parvenir à un consensus. Par exemple, l'une des méthodes, proof of work (en anglais, proof-of-work - « High-Tech »), est basée sur des fonctions de hachage cryptographique.
La blockchain est vulnérable face à un ordinateur quantiqueen particulier si l’on utilise des signatures électroniques et des mécanismes de consensus, qui ne résistent pas aux attaques informatiques quantiques. Cependant, il est possible de créer des blockchains résistantes à de telles attaques : des blockchains à sécurité quantique (quantique). La blockchain quantique utilise la cryptographie quantique ou post-quantique (ou une combinaison des deux) et permet de rendre les signatures et le consensus plus résistants à un ordinateur quantique.
Sous réserve de l'intérêt des utilisateurs russeson peut s'attendre à l'émergence d'une blockchain quantique dans le pays d'ici deux à trois ans. Dans un premier temps, il est nécessaire de créer une infrastructure de réseaux de communication quantique, sur laquelle un système distribué sera créé à l'avenir.
La communication quantique est la plus populairedirection pour le travail des startups russes. Plusieurs divisions de grandes entreprises, vendeurs de sécurité de l'information classique, opèrent sur le marché. Il s'agit de startups basées sur ITMO University, Quanttelecom, des divisions d'entreprises spécialisées dans la sécurité de l'information, InfoTeKS et Cryptosoft. QRate est une spin-off du Russian Quantum Center depuis 2017. Les startups sont plus susceptibles de travailler avec des subventions et des investissements privés. Les accords d'entreprise en Russie me sont encore inconnus.
Internet des objets et sécurité quantique
De nombreux appareils Internet des objets - capteurs -peut être à la fois classique et quantique. Disons que nous disposons d'un ensemble de capteurs classiques, d'appareils Internet des objets, de passerelles de contrôle contenant des informations confidentielles. Pour les connecter entre eux, vous avez besoin d’un protocole de protection cryptographique – encore une fois, des communications quantiques.
Dans cette direction, jusqu'à présent, il n'y a quedes prototypes qui protègent des éléments ou des dispositifs individuels - il est trop tôt pour parler d'échelle industrielle. Premièrement, le monde doit comprendre la valeur de cette orientation, sélectionner les appareils Internet des objets qui doivent être protégés et mettre en œuvre efficacement la communication quantique. En outre, un certain nombre d’obstacles techniques doivent être surmontés.
Aujourd'hui, on ne sait pas exactement ce qu'il y a dansL’Internet des objets doit être protégé à un niveau aussi élevé. Cependant, à mesure que la technologie de l’Internet des objets se répand, la valeur de l’information et celle de son piratage augmenteront également. En théorie, le piratage peut être particulièrement dangereux dans une production entièrement automatisée. Ainsi, si les capteurs transmettent des informations incorrectes au centre de décision, les décisions seront prises de manière incorrecte et les dommages économiques d'une telle attaque peuvent être assez importants.
Cinq industries où les communications quantiques seront bientôt appliquées
- Finance.Les banques sont les premières à adopter les nouvelles technologies.
- Secteur public.Ici, les communications concernent les données des utilisateurs, les systèmes gouvernementaux, les élections, c'est-à-dire tous les domaines dans lesquels un niveau élevé de protection est important.
- Télécommunications.Services de stockage d'informations à distance (une bonne protection est également importante pour eux). Les données à stocker peuvent être cryptées à l’aide d’une méthode quantique.
- Médecine.Le monde collecte de plus en plus de données génétiques,qui déterminent toute la vie d'une personne et ses caractéristiques. Dans un certain nombre de pays, un processus est déjà en cours pour donner force légale à une partie des données génétiques d'une personne, en l'assimilant à des données de passeport. Il est également important de les protéger des attaques et des manipulations.
- Énergie.Il est important de protéger la gestion des grandes infrastructures, les systèmes d’automatisation et le transport d’énergie. La cryptographie est déjà utilisée à de nombreux endroits dans de tels systèmes.
Communications quantiques dans le monde et en Russie
Les communications quantiques à travers le monde font désormais partieprogrammes nationaux sur les technologies quantiques. Les experts considèrent la Chine comme le leader mondial, mais les communications se développent également activement au sein de l'Union européenne. La société japonaise Toshiba possède un laboratoire à Cambridge, plusieurs projets sont en cours au Royaume-Uni et aux États-Unis (mais ces derniers sont encore davantage axés sur l'informatique quantique).
La sphère des communications quantiques en Russie ressemble àinvestissement attractif. Le niveau technologique de la cryptographie quantique russe est aujourd'hui comparable au niveau mondial, et certaines solutions de post-traitement des clés sont plus belles que leurs homologues mondiales.
Comme toute technologie relativement jeune,Les communications quantiques rencontrent certaines difficultés lorsqu'elles se développent à grande échelle. Jusqu’à ce qu’il y ait un précédent dans le monde en matière de piratage ou de vol de toute information précieuse à l’aide d’un ordinateur quantique, le cryptage quantique ressemble davantage à une assurance. Les gens ne comprennent pas si son potentiel est pleinement exploité, ce qui rend difficile l’attraction des investissements. Pour prouver votre potentiel, vous avez besoin d’au moins un hack. Aussi, pour le révéler, le marché russe manque de projets comme une feuille de route ; production de masse d'appareils et tentatives de les améliorer.
Toutes les entreprises ne partagent pas ouvertement des données surquel stade de développement sont leurs solutions. QRate a un produit fini prêt pour une utilisation industrielle, il est testé par des clients potentiels - par exemple, Gazprombank. Sber a également testé la tolérance aux pannes des systèmes de l'entreprise pendant un an. La startup développe une technologie de communication quantique en mettant l'accent sur la mise en œuvre de la fibre optique.
Début des travaux en décembre 2020réseau quantique dorsal Moscou - Saint-Pétersbourg par les chemins de fer russes. Il s'agit d'une ligne qui sera constituée de segments à une distance de 100 à 200 km. Ils sont nécessaires pour réduire les pertes dans la transmission du signal, le rechiffrement du signal au niveau des nœuds. Les nœuds de confiance classiques du réseau sont utilisés car les répéteurs quantiques ne sont pas encore suffisamment développés (un autre des gros problèmes scientifiques). De manière générale, ce réseau est un exemple de projet économiquement viable dans le domaine des communications quantiques avec une grande quantité de données circulant entre Moscou et Saint-Pétersbourg. Le réseau aidera, entre autres, à protéger les canaux de communication par lesquels les Sapsans et les hirondelles sans pilote seront contrôlés.
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