Cos'è la comunicazione quantistica?
Suggerisco di iniziare dalle basi e di guardare la frase stessa. Lui ha
La direzione più sviluppata all'interno della tecnologia- crittografia quantistica, o più precisamente distribuzione di chiavi quantistiche. Si tratta di un insieme di metodi volti a generare una chiave segreta condivisa tra utenti remoti, che viene poi utilizzata per la crittografia.
Un altro compito delle comunicazioni quantistiche è la trasmissioneinformazioni quantistiche tra computer quantistici. Le tecnologie si stanno muovendo senza intoppi verso lo sviluppo del calcolo quantistico distribuito, ovvero la creazione, ad esempio, di un computer quantistico centrale e di molte macchine periferiche che risolvono alcuni compiti secondari e si trasmettono dati tra loro. Un’alternativa a questo potrebbe essere un insieme di processori quantistici remoti interconnessi. Nel febbraio 2021, un gruppo di ricercatori tedeschi ha dimostrato la possibilità di trasferire informazioni quantistiche tra due processori quantistici modulari. I risultati dell'esperimento sono stati pubblicati sulla rivista Science. Si tratta di un passo importante nello sviluppo della tecnologia, che ha dimostrato che è possibile aumentare la potenza delle tecnologie di calcolo quantistico combinando diversi dispositivi in una rete.
Una caratteristica tecnologica interessante èIl fatto è che se nei computer quantistici scegliamo la piattaforma più efficacemente adatta a risolvere determinati problemi, allora con lo scambio di informazioni quantistiche tutto è ovvio: i fotoni, cioè le particelle di luce, fanno il lavoro migliore. Non ci sono praticamente alternative. Pertanto, i ricercatori sono già consapevoli di quale sarà l’elemento base. L’unica difficoltà è che l’informazione quantistica, che nasce, ad esempio, come parte del funzionamento di un computer quantistico superconduttore, viene in qualche modo tradotta in un fotone che può essere trasmesso su lunghe distanze. E poi riconvertirlo di nuovo nella forma accessibile a un computer quantistico. Se la crittografia quantistica è un chiaro fronte tecnologico che si trova in uno stadio di preparazione molto elevato, allora il campo delle comunicazioni quantistiche associato allo scambio di informazioni quantistiche tra computer quantistici è un compito importante che si trova in una fase abbastanza iniziale.
Mentre nell’informatica quantistica è una pratica comuneparlando di volume quantistico - aumentando il numero di qubit e la precisione delle operazioni, nelle comunicazioni quantistiche in un contesto ampio non esiste ancora un'unica metrica. Nella crittografia quantistica, gli scienziati si concentrano sulla velocità di generazione delle chiavi su qualsiasi distanza. Molto spesso viene considerata la velocità di generazione della chiave di 50 km, che consente di confrontare diversi dispositivi. A volte studiano anche alcune caratteristiche limitanti, ad esempio la distanza massima per la generazione delle chiavi.
Quanti ferroviari
Esistono diverse aree del sistema di trasporto ferroviario in cui le comunicazioni quantistiche (inclusa la crittografia) potrebbero essere utili.
Prima di tutto, questa è una storia sulla fibra otticacavi. Il cavo in fibra ottica è uno degli strumenti principali per la trasmissione di informazioni quantistiche. Nella crittografia quantistica, lo usiamo per trasmettere fotoni che formano chiavi crittografiche.
In secondo luogo, l'infrastruttura ferroviaria stessa -un insieme di oggetti tecnici complessi che devono essere protetti. Idealmente, se avessimo una distribuzione quantistica delle chiavi lungo le linee ferroviarie, potremmo usare queste chiavi quantistiche per risolvere i problemi di sicurezza delle informazioni che sorgono nel settore ferroviario.
E, infine, molti percorsi ferroviari -non solo il trasporto di persone, ma anche il trasporto di una grande quantità di dati vari. Ad esempio, Mosca - Pietroburgo, uno dei progetti di punta delle ferrovie russe. Il valore del percorso è evidente: c'è un numero colossale di utenti di dati a Mosca e non meno numero a San Pietroburgo. Scambiano una grande quantità di informazioni significative che devono essere protette, quindi l'idea di utilizzare la crittografia quantistica è senza dubbio economicamente giustificata.
Di solito l'implementazione della distribuzione quantisticachiavi tra due punti A e B, situati a una distanza di oltre cento chilometri, viene eseguita aggiungendo ulteriori nodi fidati intermedi sul percorso da A a B. Tale rete è chiamata "backbone" (in inglese. backbone - "Alta tecnologia"). Una struttura ad anello è anche possibile nel mondo: quando una parte di un anello si guasta, le informazioni possono essere inviate a un'altra parte dell'anello. Con un design del sistema a stella, l'ufficio centrale e l'architettura periferica funzionano: sono adatti per un'architettura distribuita. Ci possono essere strutture chiuse e aperte, ramificate, come la rete Pechino-Shanghai, questa è una sorta di "spina dorsale" con un insieme di reti a lunga distanza.
Crittografia quantistica e post-quantistica
Non dare per scontato che la crittografia siaesclusivamente per le aziende del settore finanziario o bancario, riguarda tutti. Tutti dobbiamo scambiare dati in forma crittografata, perché alcune delle informazioni che utilizziamo sono in realtà di alto valore. Ad esempio, vogliamo effettuare un acquisto su Internet utilizzando una carta di credito. Per fare ciò, dobbiamo in qualche modo trasferire i dettagli della carta di credito alla banca, ma in modo che la banca possa cancellare i soldi, ma l'attaccante no.
Il paradigma della crittografia si basa sul fatto che il metodola trasformazione è nota all'attaccante. Cioè, sa come crittifichiamo, ma non conosce l'unico parametro di crittografia segreto: la chiave crittografica. Ciò significa che per implementare il ciclo di crittografia dobbiamo in qualche modo scambiare una chiave crittografica con il destinatario delle informazioni.
Come posso trasferire le chiavi?Per risolvere questo problema sono stati utilizzati corrieri speciali a livello statale e aziendale. Il metodo è ancora oggi parzialmente implementato, ad esempio dai diplomatici. Gli svantaggi di questo approccio sono evidenti: è complesso, non economicamente fattibile ed è funzionalmente adatto solo per un numero molto limitato di operazioni: in questo modo non sarà possibile acquistare un libro su Internet.
Da qualche parte tra la metà degli anni '70 e '80 una novitàIl concetto è la crittografia a chiave pubblica. L'idea è che possiamo generare una chiave crittografica implementando una serie di procedure matematiche. Quindi, noi utenti legittimi, dovremo solo eseguire operazioni matematiche efficienti, come la moltiplicazione dei numeri. E affinché gli aggressori possano accedere alle nostre chiavi, dovranno implementare un'operazione complessa, ad esempio fattorizzando i numeri in fattori primi.
Questo concetto funziona ancora alla grande oggi, maAd un certo punto, è diventato chiaro che non appena fosse apparso un computer quantistico sufficientemente potente, l’attuale generazione di algoritmi, basata su problemi come la fattorizzazione dei numeri in fattori primi, avrebbe cessato di essere stabile. Saranno necessari nuovi mezzi per generare chiavi crittografiche, poiché il principale elemento vulnerabile della crittografia con l’avvento di un computer quantistico sarà la distribuzione delle chiavi e le firme digitali.
Ci sono due approcci fondamentalmente nuovi arisolvendo il problema. Il primo è la crittografia quantistica, che è la distribuzione delle chiavi quantistiche (che abbiamo descritto in precedenza). La crittografia quantistica funziona così: codifichiamo bit di informazione in singoli stati quantistici di luce (fotone) e li trasmettiamo. Il livello di errori nella trasmissione può determinare immediatamente il grado di intrusione degli intrusi. Se il tasso di errore non supera una certa soglia, diciamo che possiamo accorciare le nostre chiavi in un modo speciale in modo che le informazioni dell'intercettore sulle chiavi accorciate siano trascurabili. Questa procedura è chiamata "hardening" ed è necessaria per ottenere le chiavi segrete finali.
Quindi, risolviamo il problema della distribuzionechiavi crittografiche se gli intrusi hanno un computer quantistico, poiché la crittografia quantistica non può essere violata con un computer quantistico. Vantaggi: sicurezza fondamentale basata sulla fisica. Svantaggi: restrizioni su distanza, costo e velocità di generazione delle chiavi. È anche importante notare che i sistemi di distribuzione delle chiavi quantistiche sono sistemi hardware e software complessi. Nonostante il fatto che la sicurezza delle chiavi generate dai quanti sia dimostrata sulla base degli assiomi della meccanica quantistica, c'è sempre il pericolo di vulnerabilità in una specifica implementazione fisica.
Secondo approccio - Crittografia post-quantistica - Ideacreazione di nuovi algoritmi crittografici asimmetrici, costruiti non sui problemi di scomposizione dei numeri in fattori primi, ma su altri problemi matematici complessi, nella cui soluzione un computer quantistico non avrà vantaggi. Ad esempio, la ricerca di una collisione di una funzione hash. Si scopre che se costruiamo una firma o una distribuzione di chiavi su tali, come si dice, primitive post-quantiche, possiamo proteggerci dagli attacchi usando un computer quantistico.
Oggi è sufficiente la crittografia post-quantisticaben sviluppato: librerie commerciali, soluzioni, prodotti sono già presentati. Ora la tecnologia sta attraversando la fase di standardizzazione: sia in Russia che nel mondo è in corso un processo per decidere quali soluzioni saranno standardizzate. Penso che all’orizzonte del 2024 gli standard verranno fissati. Vantaggi della tecnologia: semplicità e alta velocità di integrazione (visto che si tratta di software), aggiornamenti regolari del software. Già oggi tali soluzioni vengono utilizzate per rafforzare la protezione dei dati preziosi di un'ampia gamma di servizi e applicazioni di utenti aziendali e privati (applicazioni web, mobili e desktop). Lo svantaggio principale è che la segretezza della crittografia post-quantistica si basa ancora su alcuni presupposti circa la difficoltà di risolvere alcune classi di problemi matematici. C'è sempre qualche ipotetica probabilità che appaia un computer “post-quantistico”, con il quale sarà possibile hackerare algoritmi post-quantistici. A differenza della distribuzione delle chiavi quantistiche. Non esiste una forza fondamentalmente dimostrabile qui: tali algoritmi continuano a essere studiati dal punto di vista della loro forza.
Vale la pena notare che queste due tecnologie possono esseremolto ben combinato. Pertanto, i canali di trasmissione dati backbone altamente caricati tra, ad esempio, i data center di grandi aziende possono essere protetti utilizzando la crittografia quantistica. E la nostra corrispondenza o una transazione bancaria per mille rubli viene effettuata utilizzando la crittografia post-quantistica. Cioè, non si dovrebbe opporsi alla crittografia quantistica e post-quantistica, ma considerarle produttivamente come tecnologie sinergiche. È solo che uno è più focalizzato sul livello dello stack relativo all'infrastruttura e l'altro è relativo all'utente.
Anche lo standard di crittografia quantistica lo èsi sta formando. Lo standard sarà un protocollo specifico, ovvero un metodo specifico su quale stato quantistico deve essere rilevato, come prepararlo e misurarlo e cosa farne successivamente. Finora esiste un candidato per lo standard: il protocollo BB84 con stati ingannevoli. Questo protocollo garantisce la generazione di chiavi segrete. Ma nuovi protocolli appaiono costantemente.
Blockchain quantistica e startup
Negli ultimi anni è stata prestata molta attenzionetecnologie blockchain: tecnologie per la gestione di database distribuiti. Le blockchain utilizzano due importanti strumenti crittografici. Innanzitutto, le firme elettroniche per confermare la paternità delle transazioni che vogliamo inviare ai blocchi. In secondo luogo, una varietà di metodi per raggiungere il consenso. Ad esempio, uno dei metodi, la prova del lavoro (in inglese, prova del lavoro - "High-Tech"), si basa su funzioni hash crittografiche.
La blockchain è vulnerabile nei confronti di un computer quantisticosoprattutto se si utilizzano firme elettroniche e meccanismi di consenso, che non sono resistenti agli attacchi informatici quantistici. Tuttavia, è possibile creare blockchain resistenti a tali attacchi: blockchain quantistici (quantum-secure). La blockchain quantistica utilizza la crittografia quantistica o post-quantistica (o una combinazione di esse) e consente di rendere le firme e il consenso più resistenti a un computer quantistico.
Soggetto all'interesse degli utenti russipossiamo aspettarci l'emergere di una blockchain quantistica nel paese nei prossimi due o tre anni. Inizialmente, è necessario creare un'infrastruttura di reti di comunicazione quantistica, su cui in futuro verrà creato un sistema distribuito.
La comunicazione quantistica è la più popolaredirezione per il lavoro delle startup russe. Sul mercato operano diverse divisioni di grandi aziende, fornitori della classica sicurezza informatica. Si tratta di startup basate su ITMO University, Quanttelecom, divisioni di aziende specializzate in sicurezza informatica, InfoTeKS e Cryptosoft. QRate è uno spin-off del Russian Quantum Center dal 2017. È più probabile che le startup lavorino con sovvenzioni e investimenti privati. Gli accordi di venture capital in Russia mi sono ancora sconosciuti.
Internet delle cose e sicurezza quantistica
Molti dispositivi Internet of Things - sensori -può essere sia classico che quantistico. Diciamo di avere una serie di sensori classici, dispositivi Internet of Things, gateway di controllo che contengono informazioni riservate. Per collegarli insieme, è necessario un protocollo di protezione crittografica: ancora una volta, comunicazioni quantistiche.
In questa direzione, finora ci sono soloprototipi che proteggono singoli elementi o dispositivi: è troppo presto per parlare di scala industriale. Innanzitutto, il mondo deve comprendere il valore di questa direzione, selezionare il dispositivo dell’Internet delle cose che necessita di protezione e implementare in modo efficace la comunicazione quantistica. Inoltre, è necessario superare una serie di ostacoli tecnici.
Oggi non è del tutto chiaro cosa contenga esattamenteL’Internet delle cose deve essere protetto a un livello così elevato. Tuttavia, con la diffusione della tecnologia Internet of Things, aumenterà anche il valore delle informazioni e il valore dell’hacking. In teoria, l’hacking può essere particolarmente pericoloso nella produzione completamente automatizzata. Pertanto, se i sensori trasmettono informazioni errate al centro decisionale, le decisioni verranno prese in modo errato e il danno economico derivante da un simile attacco può essere piuttosto significativo.
Cinque settori in cui verranno presto applicate le comunicazioni quantistiche
- Finanza.Le banche sono le prime ad adottare le nuove tecnologie.
- Settore pubblico.Qui le comunicazioni riguardano i dati degli utenti, i sistemi governativi, le elezioni, cioè tutti ambiti in cui è importante un elevato livello di protezione.
- Telecomunicazioni.Servizi di archiviazione remota delle informazioni (anche per loro è importante una buona protezione). I dati per l'archiviazione possono essere crittografati utilizzando un metodo quantistico.
- Medicinale.Il mondo sta raccogliendo sempre più dati genetici,che determinano l'intera vita di una persona e le sue caratteristiche. In alcuni paesi è già in corso un processo per dare forza legale a una parte dei dati genetici di una persona, equiparandola ai dati del passaporto. È anche importante proteggerli da attacchi e manipolazioni.
- Energia.È importante tutelare la gestione delle grandi infrastrutture, dei sistemi di automazione e di trasmissione dell’energia. La crittografia è già utilizzata in molti punti di tali sistemi.
Comunicazioni quantistiche nel mondo e in Russia
Le comunicazioni quantistiche in tutto il mondo sono diventate parte diprogrammi nazionali sulle tecnologie quantistiche. Gli esperti considerano la Cina il leader mondiale, ma le comunicazioni si stanno sviluppando attivamente anche nell'Unione europea. L'azienda giapponese Toshiba ha un laboratorio a Cambridge, diversi progetti sono in corso nel Regno Unito e negli Stati Uniti (ma questi ultimi sono ancora più focalizzati sull'informatica quantistica).
La sfera delle comunicazioni quantistiche in Russia sembrainvestimento interessante. Il livello tecnologico della crittografia quantistica russa oggi è paragonabile a quello globale e alcune soluzioni per la post-elaborazione delle chiavi sembrano migliori delle loro controparti mondiali.
Come ogni tecnologia abbastanza giovane,Le comunicazioni quantistiche hanno alcune difficoltà con uno sviluppo diffuso. Fino a quando non ci sarà un precedente nel mondo con l’hacking o il furto di informazioni preziose utilizzando un computer quantistico, la crittografia quantistica assomiglia più a un’assicurazione. Le persone non capiscono se il suo potenziale si sta realizzando pienamente, il che a sua volta rende difficile attrarre investimenti. Per dimostrare il potenziale, è necessario almeno un hack. Inoltre, per rivelarlo, al mercato russo mancano progetti come una road map; produzione di massa di dispositivi e tentativi di migliorarli.
Non tutte le aziende condividono apertamente i dati sul fatto chequale stadio di sviluppo sono le loro soluzioni. QRate ha un prodotto finito pronto per l'uso industriale, è in fase di test da potenziali clienti, ad esempio Gazprombank. Sber ha anche testato i sistemi dell'azienda per la tolleranza ai guasti per un anno. La startup sta sviluppando una tecnologia di comunicazione quantistica con particolare attenzione all'implementazione della fibra ottica.
La costruzione è iniziata a dicembre 2020dorsale quantistica della rete Mosca - San Pietroburgo delle Ferrovie Russe. Questa è una linea che sarà composta da segmenti a una distanza di 100-200 km. Sono necessari per ridurre le perdite nella trasmissione del segnale, la ricodifica del segnale ai nodi. I nodi fidati classici nella rete vengono utilizzati perché i ripetitori quantistici non sono ancora sufficientemente sviluppati (un altro dei grandi problemi scientifici). In generale, questa rete è un esempio di progetto economicamente fattibile nel campo delle comunicazioni quantistiche con una grande quantità di dati che circolano tra Mosca e San Pietroburgo. La rete aiuterà, tra le altre cose, a proteggere i canali di comunicazione attraverso i quali verranno controllati Sapsan e Swallow senza equipaggio.
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