Mi a kvantumkommunikáció
Azt javaslom, hogy kezdje az alapokkal, és nézze meg magát a kifejezést. Megvan
A technológia legfejlettebb iránya- kvantum -kriptográfia, pontosabban kvantumkulcs -eloszlás. Ez egy olyan módszerkészlet, amelynek célja egy megosztott titkos kulcs létrehozása a távoli felhasználók között, amelyet ezután használnak a titkosításhoz.
A kvantumkommunikáció másik feladata az átvitelkvantuminformáció a kvantumszámítógépek között. A technológiák zökkenőmentesen haladnak az elosztott kvantumszámítás fejlesztése felé, vagyis például egy központi kvantumszámítógép és számos olyan periférikus gép létrehozása felé, amelyek egyes részfeladatokat megoldanak és adatokat továbbítanak egymásnak. Ennek alternatívája lehet egy sor összekapcsolt távoli kvantumprocesszor. 2021 februárjában német kutatók egy csoportja bemutatta a kvantuminformációk átvitelének lehetőségét két moduláris kvantumprocesszor között. A kísérlet eredményeit a Science folyóiratban publikálták. Ez egy fontos lépés a technológia fejlődésében, amely megmutatta, hogy több eszköz hálózatba kapcsolásával is lehet növelni a kvantumszámítási technológiák teljesítményét.
Érdekes technológiai jellemzőA helyzet az, hogy ha a kvantumszámítógépekben olyan platformot választunk, amely a leghatékonyabban alkalmas bizonyos problémák megoldására, akkor a kvantuminformációk cseréjével minden nyilvánvaló: a fotonok, vagyis a fényrészecskék végzik a legjobb munkát. Gyakorlatilag nincs alternatíva. Ezért a kutatók már tisztában vannak azzal, hogy mi lesz az elembázis. Az egyetlen nehézség az, hogy a kvantuminformáció, amely például egy szupravezető kvantumszámítógép működése során keletkezik, valamilyen módon olyan fotonná alakul, amely nagy távolságokra továbbítható. Ezután alakítsa át újra a kvantumszámítógép számára elérhető formába. Ha a kvantumkriptográfia egyértelmű technológiai front, amely a felkészültség nagyon magas fokán van, akkor a kvantuminformációk kvantumszámítógépek közötti cseréjéhez kapcsolódó kvantumkommunikáció nagy feladat, amely meglehetősen korai szakaszban van.
Míg a kvantumszámításnál ez bevett gyakorlatHa a kvantumtérfogatról beszélünk - a qubitek számának és a műveletek pontosságának növelése, a kvantumkommunikációban tág kontextusban még nincs egyetlen mérőszám. A kvantumkriptográfiában a tudósok a kulcsgenerálás sebességére összpontosítanak bármilyen távolságban. Leggyakrabban a kulcsgenerálási sebességet 50 km-re tekintik, ami lehetővé teszi a különböző eszközök összehasonlítását. Néha néhány korlátozó jellemzőt is tanulmányoznak, például a kulcsok generálásának maximális távolságát.
Vasúti kvantumok
A vasúti közlekedési rendszer körül számos olyan terület van, ahol a kvantumkommunikáció (beleértve a kriptográfiát is) hasznos lehet.
Először is, ez egy száloptikai történetkábeleket. A száloptikai kábel a kvantuminformációk továbbításának egyik fő eszköze. A kvantum -kriptográfiában kriptográfiai kulcsokat alkotó fotonok továbbítására használjuk.
Másodsorban maga a vasúti infrastruktúra -összetett műszaki objektumok halmaza, amelyeket védeni kell. Ideális esetben, ha a kulcsok kvantumelosztása lenne a vasútvonalak mentén, akkor ezeket a kvantumkulcsokat használhatnánk a vasúti iparban felmerülő információbiztonsági problémák megoldására.
És végül sok vasúti útvonal -nemcsak az emberek szállítása, hanem nagy mennyiségű különféle adat szállítása is. Például Moszkva - Pétervár, az orosz vasutak egyik zászlóshajója. Az útvonal értéke nyilvánvaló: kolosszális számú adathasználó van Moszkvában, és nem kevesebb Szentpéterváron. Nagy mennyiségű értelmes információt cserélnek, amelyeket védeni kell, így a kvantum -kriptográfia használatának ötlete kétségkívül gazdaságilag indokolt.
Általában a kvantumeloszlás megvalósításaa két, több mint száz kilométeres távolságban található A és B pont közötti kulcsokat további közbenső megbízható csomópontok hozzáadásával hajtják végre az A -tól B -ig tartó útvonalon. Az ilyen hálózatot "gerincnek" (angolul. gerinchálózatnak) nevezik. - "Hi-tech"). A világon gyűrűszerkezet is lehetséges: ha a gyűrű egy része meghibásodik, az információ a gyűrű másik részére is elküldhető. A csillagrendszer kialakításával a központi iroda és a perifériás architektúra működik - alkalmasak az elosztott architektúrára. Lehetnek zárt és nyitott szerkezetek, elágazások, mint a Peking-Sanghaj hálózat, ez egyfajta "gerinc" a távolsági hálózatok halmazával.
Kvantum és posztkvantum kriptográfia
Ne feltételezzük, hogy a kriptográfia azkizárólag a pénzügyi vagy bankszektor vállalatai számára, ez mindenkit érint. Mindannyiunknak titkosított formában kell adatot cserélnünk, mert az általunk használt információk egy része valóban értékes. Például vásárolni szeretnénk az interneten hitelkártyával. Ehhez valahogy át kell adnunk a hitelkártya adatait a banknak, de úgy, hogy a bank le tudja írni a pénzt, de a támadó nem.
A kriptográfiai paradigma azon a tényen alapul, hogy a módszerátalakítása ismert a támadó számára. Vagyis tudja, hogyan titkosítjuk, de nem ismeri az egyetlen titkos titkosítási paramétert - a kriptográfiai kulcsot. Ez azt jelenti, hogy a titkosítási ciklus megvalósításához valamilyen módon kriptográfiai kulcsot kell cserélnünk az információ címzettjével.
Hogyan tudom átvinni a kulcsokat?A probléma megoldására állami és vállalati szinten speciális futárokat alkalmaztak. A módszert részben a mai napig alkalmazzák – például a diplomaták. Ennek a megközelítésnek a hátrányai nyilvánvalóak: bonyolult, gazdaságilag kivitelezhetetlen és funkcionálisan csak nagyon kis számú műveletre alkalmas - az interneten történő könyvvásárlás nem fog így működni.
Valahol a 70-es és 80-as évek közepén egy újA koncepció a nyilvános kulcsú kriptográfia. Az ötlet az, hogy kriptográfiai kulcsot generálhatunk bizonyos matematikai eljárások végrehajtásával. Nekünk, jogos felhasználóknak tehát csak hatékony matematikai műveleteket kell végrehajtanunk, mint például a számok szorzását. Ahhoz pedig, hogy a támadók hozzáférhessenek a kulcsainkhoz, összetett műveletet kell végrehajtaniuk – például számokat kell prímtényezőkké alakítani.
Ez a koncepció még ma is remekül működik, deEgy bizonyos ponton világossá vált, hogy abban a pillanatban, amikor egy kellően erős kvantumszámítógép megjelenik, az algoritmusok jelenlegi generációja, amely olyan problémákra épül, mint a számok prímtényezőkké alakítása, megszűnik stabilnak lenni. Új eszközökre lesz szükség a kriptográfiai kulcsok előállításához, mivel a kvantumszámítógép megjelenésével a kriptográfia fő sebezhető eleme a kulcselosztás és a digitális aláírás lesz.
Két alapvetően új megközelítés létezikA probléma megoldása. Az első a kvantum -kriptográfia, amely a kvantumkulcs -eloszlás (ezt korábban leírtuk). A kvantumtitkosítás így működik: az információ bitjeit egyetlen kvantumfényállapotba (foton) kódoljuk, és továbbítjuk. Az átviteli hibák szintje azonnal meghatározhatja a betolakodók behatolásának mértékét. Ha a hibaarány nem haladja meg a bizonyos küszöbértéket, akkor azt mondjuk, hogy speciális módon lerövidíthetjük kulcsainkat, így a lerövidített kulcsokkal kapcsolatos elfogó információ elhanyagolható. Ezt az eljárást "edzésnek" nevezik, és a végső titkos kulcsok megszerzéséhez szükséges.
Így megoldjuk az elosztás problémájáttitkosítási kulcsok, ha a betolakodóknak kvantumszámítógépük van, mivel a kvantumkriptográfia nem törhető meg kvantumszámítógéppel. Előnyök: Alapvető, fizikai alapú biztonság. Hátrányok: a kulcsok előállításának távolságára, költségére és sebességére vonatkozó korlátozások. Azt is fontos megjegyezni, hogy a kvantumkulcs -elosztó rendszerek összetett hardver- és szoftverrendszerek. Annak ellenére, hogy a kvantumgenerált kulcsok biztonságát a kvantummechanika axiómái alapján bizonyítják, mindig fennáll a sebezhetőség veszélye egy adott fizikai megvalósításban.
Második megközelítés - kvantum utáni kriptográfia - ötletúj aszimmetrikus kriptográfiai algoritmusok létrehozása, amelyek nem a számok prímtényezőkké bontásának problémáira épülnek, hanem más összetett matematikai feladatokra, amelyek megoldásában a kvantumszámítógépnek nem lesznek előnyei. Például egy hash függvény ütközésének keresése. Kiderül, hogy ha aláírást vagy kulcsok elosztását építjük fel az ilyen, mint mondják, posztkvantum primitívekre, akkor kvantumszámítógép segítségével megvédhetjük magunkat a támadásoktól.
Ma már elegendő a posztkvantum kriptográfiajól fejlett: kereskedelmi könyvtárak, megoldások, termékek már bemutatásra kerülnek. A technológia most a szabványosítás szakaszán megy keresztül: Oroszországban és a világban is folyamatban van annak eldöntése, hogy mely megoldásokat szabványosítják. Úgy gondolom, hogy 2024 horizontján a szabványok rögzítésre kerülnek. A technológia előnyei: egyszerűség és nagy sebességű integráció (hiszen szoftverről beszélünk), rendszeres szoftverfrissítések. Az ilyen megoldásokkal már ma is erősítik a szolgáltatások és alkalmazások széles köre értékes adatainak védelmét vállalati felhasználók és magánszemélyek számára (webes, mobil és asztali alkalmazások). A fő hátrány az, hogy a posztkvantum kriptográfia titkossága még mindig a matematikai problémák bizonyos osztályainak megoldásának nehézségére vonatkozó feltételezéseken alapul. Mindig van némi hipotetikus valószínűsége annak, hogy megjelenik egy „poszt-kvantum” számítógép, amivel lehetőség lesz posztkvantum algoritmusok feltörésére. Ellentétben a kvantumkulcs-eloszlással. Itt nincs alapvetően bizonyítható erősség - az ilyen algoritmusokat továbbra is erősségük szempontjából vizsgálják.
Érdemes megjegyezni, hogy ez a két technológia lehetnagyon jól kombinálva. Így például a nagyvállalatok adatközpontjai közötti nagy terhelésű gerinchálózati adatátviteli csatornák kvantumkriptográfiával védhetők. Levelezésünket vagy banki tranzakciónkat pedig ezer rubelért postkvantum kriptográfia segítségével bonyolítjuk le. Vagyis a kvantum- és posztkvantum kriptográfiát nem szabad szembehelyezni, hanem produktívan szinergikus technológiáknak tekinteni. Csak arról van szó, hogy az egyik inkább az infrastruktúrához kapcsolódó veremrétegre, a másik a felhasználóra vonatkozik.
A kvantumkriptográfiai szabvány isformálódik. A szabvány egy konkrét protokoll lesz, vagyis egy konkrét módszer arra vonatkozóan, hogy milyen kvantumállapotot kell felvenni, hogyan kell elkészíteni és mérni, és mit kell vele ezután kezdeni. Egyelőre egy jelölt van a szabványokra - a BB84 protokoll megtévesztő állapotokkal. Ez a protokoll garantálja a titkos kulcs létrehozását. De folyamatosan új protokollok jelennek meg.
Kvantumblokk és induló vállalkozások
Az elmúlt években nagy figyelmet fordítottak ráblokklánc technológiák – elosztott adatbázisok kezelésére szolgáló technológiák. A blokkláncok két fontos kriptográfiai eszközt használnak. Először is, elektronikus aláírások, amelyek megerősítik azoknak a tranzakcióknak a szerzőségét, amelyeket el szeretnénk küldeni a blokkoknak. Másodszor, különféle módszerek a konszenzus elérésére. Például az egyik módszer, a munkabizonyítás (angolul proof-of-work - „High-Tech”), kriptográfiai hash függvényeken alapul.
A blokklánc sebezhető a kvantumszámítógépekkel szembenkülönösen, ha elektronikus aláírásokat és konszenzusos mechanizmusokat használnak, amelyek nem ellenállnak a kvantumszámítógépes támadásoknak. Lehetőség van azonban olyan blokkláncok létrehozására, amelyek ellenállnak az ilyen támadásoknak – kvantumbiztonságos (kvantum) blokkláncok. A kvantumblokklánc vagy kvantum- vagy posztkvantum kriptográfiát (vagy ezek kombinációját) használ, és lehetővé teszi az aláírások és a konszenzusok ellenállóbbá tételét a kvantumszámítógépekkel szemben.
Az orosz felhasználók érdeklődésének függvényébena jövőben két -három éven belül számíthatunk egy kvantumblokk megjelenésére az országban. Kezdetben a kvantumkommunikációs hálózatok infrastruktúráját kell létrehozni, amelyen a jövőben elosztott rendszert hoznak létre.
A kvantumkommunikáció a legnépszerűbbaz orosz startupok munkájának iránya. A nagyvállalatok több részlege, a klasszikus információbiztonság szállítói működnek a piacon. Ezek az ITMO Egyetemen, a Quanttelecomon, az információbiztonságra szakosodott vállalatok divízióin, az InfoTeKS -en és a Cryptosofton alapuló startupok. A QRate az Orosz Kvantumközpont spin-offja 2017 óta. A startupok inkább támogatásokkal és magánbefektetésekkel dolgoznak. Az oroszországi kockázati ügyletek még ismeretlenek számomra.
A dolgok internete és a kvantumbiztonság
Számos tárgyak internete eszköz – érzékelők –lehet klasszikus és kvantum is. Tegyük fel, hogy van egy sor klasszikus érzékelőnk, Dolgok Internetje eszközeink, vezérlőátjáróink, amelyek bizalmas információkat tartalmaznak. Ezek összekapcsolásához kriptográfiai védelmi protokollra van szükség – ismét kvantumkommunikációra.
Ebben az irányban egyelőre csakprototípusok, amelyek védik az egyes elemeket vagy eszközöket – még korai lenne ipari méretekről beszélni. Először is, a világnak meg kell értenie az irány értékét, ki kell választania a védelemre szoruló tárgyak internete eszközét, és hatékonyan kell megvalósítania a kvantumkommunikációt. Emellett számos technikai akadályt is le kell küzdeni.
Ma még nem teljesen világos, hogy pontosan mi is van benneA tárgyak internetét ilyen magas szinten kell védeni. A tárgyak internete technológiájának terjedésével azonban az információ értéke és a feltörésük értéke is növekedni fog. Elméletileg a hackelés különösen veszélyes lehet a teljesen automatizált gyártás során. Így ha az érzékelők hibás információkat továbbítanak a döntéshozó központnak, akkor a döntések helytelenül születnek, és egy ilyen támadás gazdasági kára meglehetősen jelentős lehet.
Öt iparág, ahol hamarosan alkalmazzák a kvantumkommunikációt
- Pénzügy.A bankok az új technológiák első alkalmazói.
- Állami szektor.Itt a kommunikáció a felhasználói adatokkal, kormányzati rendszerekkel, választásokkal kapcsolatos, vagyis minden olyan területtel, ahol fontos a magas szintű védelem.
- Távközlés.Távoli információtárolási szolgáltatások (a jó védelem is fontos számukra). A tárolásra szánt adatok kvantummódszerrel titkosíthatók.
- Gyógyszer.A világ egyre több genetikai adatot gyűjt,amelyek meghatározzák az ember egész életét és vonásait. Számos országban már folyamatban van az a folyamat, amelynek során a személy genetikai adatai egy részének jogi erőt biztosítanak, és az útlevél adataival egyenértékűvé teszik. Az is fontos, hogy megvédjük őket a támadásoktól és a manipulációktól.
- Энергетика. Важно защищать управление крупной инфраструктурой, системы автоматизации, передачи энергии. Уже сейчас во многих точках таких систем используется криптография.
Kvantumkommunikáció a világban és Oroszországban
Квантовые коммуникации во всем мире стали частью национальных программ по квантовым технологиям. Мировым лидером специалисты считают Китай, но коммуникации активно развиваются и в Европейском союзе. Японская компания Toshiba содержит лабораторию в Кембридже, несколько проектов работают в Великобритании, в США (но последние все же больше фокусируются на квантовых вычислениях).
A kvantumkommunikáció szférája Oroszországban úgy néz kibefektetés vonzó. Az orosz kvantum-kriptográfia technológiai szintje ma összehasonlítható a globális szinttel, és néhány megoldás a kulcsok utófeldolgozására jobban néz ki, mint világtársaik.
Как у любой достаточно молодой технологии, у квантовых коммуникаций есть определенные сложности с повсеместным развитием. Пока в мире не произошел прецедент со взломом или хищением какой-либо ценной информации с помощью квантового компьютера, квантовое шифрование выглядит больше как страховка. Люди не понимают, реализуется ли его потенциал в полной мере, что в свою очередь осложняет привлечение инвестиций. Для доказательств потенциала нужен хотя бы один взлом. Также для его раскрытия российскому рынку не хватает проектов вроде дорожной карты; массового производства устройств и попыток улучшить их.
Nem minden vállalat osztja meg nyíltan az adatokat arról, hogymilyen fejlettségi fokúak a megoldásaik. A QRate készen áll az ipari felhasználásra, a potenciális ügyfelek tesztelik - például a Gazprombank. A Sber egy évig tesztelte a vállalat rendszereit a hibatűrés szempontjából is. A startup kvantumkommunikációs technológiát fejleszt, amelynek középpontjában a száloptikai megvalósítás áll.
Az építkezés 2020 decemberében kezdődöttgerinc kvantumhálózat Moszkva - Szentpétervár az orosz vasutak által. Ez egy olyan vonal, amely 100-200 km távolságban lévő szegmensekből fog állni. Szükségük van a jelátvitel veszteségeinek csökkentésére, a jel újbóli titkosítására a csomópontokban. A hálózat klasszikus megbízható csomópontjait használják, mivel a kvantumismétlők még nincsenek megfelelően kifejlesztve (a másik nagy tudományos probléma). Általánosságban elmondható, hogy ez a hálózat egy példa egy gazdaságilag életképes projektre a kvantumkommunikáció területén, ahol nagy mennyiségű adat kering Moszkva és Szentpétervár között. A hálózat többek között segít a kommunikációs csatornák védelmében, amelyeken keresztül a pilóta nélküli szappanok és fecskék irányításra kerülnek.
Olvass tovább:
A Föld forgásának lelassulása oxigént bocsátott ki a bolygón
A csillagászok szokatlan szerkezeteket észlelnek a mély űrben
Tekintsen meg további 60 000 éves neandervölgyi rockművészetet