מהי תקשורת קוונטית
Предлагаю начать с азов и взглянуть на само словосочетание. В нем есть
הכיוון המפותח ביותר בטכנולוגיה- הצפנה קוונטית, או ליתר דיוק, התפלגות מפתח קוונטי. זוהי מערכת שיטות שמטרתה ליצור מפתח סודי משותף בין משתמשים מרוחקים, המשמש לאחר מכן להצפנה.
Еще одна задача квантовых коммуникаций — передача квантовой информации между квантовыми компьютерами. Технологии плавно идут к развитию распределенных квантовых вычислений, то есть к созданию, например, центрального квантового компьютера и множества периферийных машин, которые решают часть подзадач и передают данные друг другу. Альтернативой этому может быть набор связанных между собой удаленных квантовых процессоров. В феврале 2021 года группа исследователей из Германии продемонстрировала возможность передачи квантовой информации между двумя модульными квантовыми процессорами. Результаты эксперимента опубликовал журнал Science. Это важный шаг в развитии технологий, который показал, что увеличивать мощность квантовых вычислительных технологий возможно за счет объединения нескольких устройств в сеть.
Интересная технологическая особенность состоит в том, что если в квантовых компьютерах мы выбираем платформу, которая наиболее эффективно подойдет для решения тех или иных задач, то с обменом квантовой информацией все очевидно: лучше всего справляются фотоны, то есть частицы света. Альтернатив практически нет. Поэтому исследователи уже осознают, какой будет элементная база. Единственная сложность заключается в том, чтобы квантовую информацию, возникающую, например, в рамках работы сверхпроводникового квантового компьютера, каким-то образом транслировать в фотон, который можно передать на большие расстояния. А после снова преобразовать в ту форму, которая доступна квантовому компьютеру. Если квантовая криптография — понятный технологический фронт, который находится в очень высокой степени готовности, то область квантовых коммуникаций, связанная с обменом квантовой информацией между квантовыми компьютерами — большая задача, которая находится на достаточно ранней стадии.
В то время, как в квантовых вычислениях принято говорить о квантовом объеме — увеличении числа кубитов и точности операций, в квантовых коммуникациях в широком контексте пока не существует единственной метрики. В квантовой криптографии ученые фокусируются на скорости генерации ключа на какое-либо расстояние. Чаще всего рассматривается скорость генерации ключа на 50 км, что позволяет сравнивать разные устройства. Порой также изучают какие-то предельные характеристики, например, максимальное расстояние для генерации ключей.
קוואנטה של רכבת
Вокруг железнодорожной транспортной системы существует несколько областей, в которых квантовые коммуникации (и криптография в том числе) могут быть полезны.
קודם כל, זהו סיפור על סיבים אופטייםכבלים. כבל סיבים אופטיים הוא אחד הכלים העיקריים להעברת מידע קוונטי. בקריפטוגרפיה קוונטית אנו משתמשים בה להעברת פוטונים היוצרים מפתחות הצפנה.
שנית, תשתית הרכבת עצמה -קבוצה של אובייקטים טכניים מורכבים שיש להגן עליהם. באופן אידיאלי, אם הייתה לנו חלוקה קוונטית של מפתחות לאורך קווי הרכבת, נוכל להשתמש במפתחות קוונטיים אלה כדי לפתור בעיות אבטחת מידע המתעוררות בתעשיית הרכבות.
ולבסוף, מסלולי רכבת רבים -לא רק הובלת אנשים, אלא גם העברת כמות גדולה של נתונים שונים. לדוגמה, מוסקווה - פטרסבורג, אחד מפרויקטים הדגל של רכבות רוסיות. ערך המסלול ברור: יש מספר עצום של משתמשי נתונים במוסקבה ומספר לא פחות בסנט פטרסבורג. הם מחליפים כמות גדולה של מידע משמעותי שצריך להגן עליו, כך שהרעיון להשתמש בהצפנה קוונטית מוצדק ללא כלכלית.
בדרך כלל יישום הפצה קוונטיתמפתחות בין שתי נקודות A ו- B, הנמצאים במרחק של יותר ממאה קילומטרים, מתבצעים על ידי הוספת צמתים מהימנים נוספים ביניים במסלול מ- A ל- B. רשת כזו נקראת "עמוד שדרה" (באנגלית. עמוד השדרה. - "היי-טק"). מבנה טבעת אפשרי גם בעולם: כאשר חלק מהטבעת נכשל, ניתן לשלוח מידע לחלק אחר של הטבעת. עם עיצוב מערכת כוכבים, המשרד המרכזי ועבודת האדריכלות ההיקפית - הם מתאימים לאדריכלות מבוזרת. יכולים להיות מבנים סגורים ופתוחים, מסועפים, כמו רשת בייג'ין-שנחאי, זהו סוג של "עמוד שדרה" עם מערכת רשתות למרחקים ארוכים.
הצפנה קוונטית ופוסט-קוונטית
אל תניח שקריפטוגרפיה היאאך ורק לחברות במגזר הפיננסי או הבנקאי, זה נוגע לכולם. כולנו צריכים להחליף נתונים בצורה מוצפנת, מכיוון שחלק מהמידע שבו אנו משתמשים הוא בעל ערך גבוה. לדוגמה, אנו רוצים לבצע רכישה באינטרנט באמצעות כרטיס אשראי. לשם כך עלינו להעביר איכשהו את פרטי כרטיס האשראי לבנק, אך על מנת שהבנק יוכל למחוק את הכסף, אך התוקף לא.
Парадигма криптографии строится на том, что метод преобразования злоумышленнику известен. То есть он знает, как мы шифруем, но не знает единственного секретного параметра шифрования — криптографического ключа. Значит, чтобы реализовать цикл шифрования, нам необходимо каким-то образом обменяться криптографическим ключом с получателем информации.
Как можно передавать ключи? Для решения этой задачи на уровне государств и компаний использовались специальные курьеры. Частично метод реализуется и по сей день — например, дипломатами. Минусы такого подхода очевидны: это сложно, экономически нецелесообразно и функционально подходит лишь для совсем небольшого ряда операций — купить книгу в интернете так не получится.
Где-то в середине 70–80-х годов появилась новая концепция — криптография с открытым ключом. Идея заключается в том, что мы можем выработать криптографический ключ путем реализации некоторого набора математических процедур. Так, нам, легитимным пользователям, надо будет выполнять только эффективные математические операции, например, умножение чисел. А злоумышленникам, чтобы получить доступ к нашим ключам, необходимо будет реализовывать сложную операцию — например, разложение чисел на простые множители.
Эта концепция прекрасно работает и сегодня, но в какой-то момент стало ясно, что в момент появления достаточно мощного квантового компьютера текущее поколение алгоритмов, построенное на задачах типа разложения чисел на простые множители, перестанет быть устойчивым. Понадобятся новые средства выработки криптографических ключей, поскольку главным уязвимым элементом криптографии при появлении квантового компьютера станет распределение ключей и цифровые подписи.
ישנן שתי גישות חדשות ביסודןלפתור את הבעיה. הראשון הוא הצפנה קוונטית, שהיא הפצת מפתח קוונטי (שתיארנו קודם לכן). הצפנה קוונטית פועלת כך: אנו מקודדים פיסות מידע למצבי אור קוונטיים בודדים (פוטון) ומשדרים אותם. רמת הטעויות בשידור יכולה לקבוע מיד את מידת הפלישה של הפולשים. אם שיעור השגיאות אינו חורג מסף מסוים, אנו אומרים שנוכל לקצר את המפתחות שלנו בצורה מיוחדת כך שמידע היירוט על המפתחות המקוצרים יהיה זניח. הליך זה נקרא "התקשות" ונדרש להשגת המפתחות הסודיים הסופיים.
לפיכך, אנו פותרים את בעיית ההפצהמפתחות קריפטוגרפיים אם לפולשים יש מחשב קוונטי, מכיוון שלא ניתן לשבור הצפנה קוונטית באמצעות מחשב קוונטי. יתרונות: אבטחה בסיסית, מבוססת פיזיקה. חסרונות: הגבלות על מרחק, עלות ומהירות יצירת מפתחות. כמו כן, חשוב לציין כי מערכות הפצת מפתחות קוונטיות הינן מערכות חומרה ותוכנה מורכבות. למרות העובדה שאבטחת המפתחות שנוצרו באמצעות קוונטים מוכיחה על בסיס האקסיומות של מכניקת הקוונטים, תמיד קיימת סכנה של פגיעות ביישום פיזי ספציפי.
גישה שנייה - קריפטוגרפיה פוסט -קוונטית - רעיוןיצירת אלגוריתמים קריפטוגרפיים א -סימטריים חדשים, שבנויים לא על בעיות פירוק מספרים לגורמים ראשוניים, אלא על בעיות מתמטיות מורכבות אחרות, שלפתרון שלמחשב קוונטי לא יהיו יתרונות. לדוגמה, חיפוש אחר התנגשות של פונקציית hash. מסתבר שאם נבנה חתימה או חלוקה של מפתחות על פרימיטיבים פוסט-קוונטיים כאלה, כמו שאומרים, נוכל להגן על עצמנו מפני התקפות באמצעות מחשב קוונטי.
Постквантовая криптография сегодня достаточно хорошо развита: уже представлены коммерческие библиотеки, решения, продукты. Сейчас технология проходит стадию стандартизации: и в России, и в мире идет процесс принятия того, какие именно решения будут стандартизированы. Думаю, что на горизонте 2024 года стандарты будут закреплены. Преимущества технологии: простота и высокая скорость интеграции (поскольку речь идет о софте), регулярные обновления ПО. Уже сегодня такие решения применяются, чтобы усилить защиту ценных данных широкого спектра сервисов и приложений корпоративных пользователей и физических лиц (веб, мобильные и десктоп-приложения). Основной недостаток — секретность постквантовой криптографии все еще основывается на некоторых предположениях о сложности решения определенных классов математических задач. Всегда есть некоторая гипотетическая вероятность того, что появится «постквантовый» компьютер, с помощью которого можно будет взламывать и постквантовые алгоритмы. В отличие от квантового распределения ключей. Здесь нет фундаментально доказуемой стойкости — такие алгоритмы продолжают изучаться с точки зрения их стойкости.
Стоит отметить, что эти две технологии могут быть очень удачным образом скомбинированы. Так, высоконагруженные магистральные каналы передачи данных между, например, дата-центрами крупных компаний могут быть защищены с помощью квантовой криптографии. А наша переписка или банковская транзакция на тысячу рублей — с помощью постквантовой криптографии. То есть квантовую и постквантовую криптографию надо не противопоставлять, а продуктивно думать о них как о синергичных технологиях. Просто одна больше направлена на уровень стека, связанный с инфраструктурой, а другая связана с пользователем.
Стандарт квантовой криптографии также пока формируется. Стандартом станет конкретный протокол, то есть конкретный способ того, какое квантовое состояние нужно взять, как его приготовить и измерить, что с ним сделать дальше. Пока есть один кандидат в стандарты — протокол BB84 с обманными состояниями. Этот протокол гарантирует секретную генерацию ключа. Но новые протоколы появляются постоянно.
בלוקצ'יין קוונטי וסטארט -אפים
Большое внимание последние годы уделялось технологии блокчейнов — технологий для управления распределенными базами данных. Блокчейны используют два важных криптографических инструмента. Во-первых, электронные подписи для подтверждения авторства транзакций, которые мы хотим направить в блоки. Во-вторых, разнообразные методы достижения консенсуса. Например, один из методов — доказательство работы (на англ. proof-of-work — «Хайтек») — базируется на криптографических хэш-функциях.
Блокчейн уязвим против квантового компьютера в частности, если используются электронные подписи и механизмы консенсуса, которые неустойчивы к атакам с квантовым компьютером. Однако возможно создать блокчейны, которые устойчивы к таким атакам — квантово-защищенные (квантовые) блокчейны. Квантовый блокчейн использует либо квантовую, либо постквантовую криптографию (или комбинирует их) и позволяет сделать подписи и консенсус более устойчивыми по отношению к квантовому компьютеру.
בכפוף לאינטרס של משתמשים רוסיםאנו יכולים לצפות להופעתה של בלוקצ'יין קוונטי במדינה בשנתיים -שלוש בעתיד. בתחילה, יש צורך ליצור תשתית של רשתות תקשורת קוונטיות, עליהן תיווצר מערכת מבוזרת בעתיד.
תקשורת קוונטית היא הפופולרית ביותרכיוון לעבודה של סטארט -אפים רוסים. מספר חטיבות של חברות גדולות, ספקי אבטחת מידע קלאסית, פועלות בשוק. מדובר בסטארט -אפים המבוססים על אוניברסיטת ITMO, Quanttelecom, חטיבות של חברות המתמחות באבטחת מידע, InfoTeKS ו- Cryptosoft. QRate הוא ספין אוף של מרכז הקוונטים הרוסי מאז 2017. סביר יותר שסטארטאפים עובדים עם מענקים והשקעות פרטיות. עסקאות סיכון ברוסיה עדיין אינן ידועות לי.
Интернет вещей и квантовая защита
Многие устройства интернета вещей — сенсоры — могут быть как классическими, так и квантовыми. Скажем, у нас есть набор классических сенсоров, устройств интернета вещей, шлюзов контроля, которые обладают конфиденциальной информацией. Чтобы их соединить между собой, нужен протокол криптографической защиты — опять же квантовые коммуникации.
В данном направлении пока существуют только прототипы, которые защищают отдельные элементы или устройства — говорить о промышленных масштабах еще рано. Сперва миру необходимо понять ценность направления, выбрать устройство интернета вещей, которое нуждается в защите и эффективной реализации квантовой коммуникации. Кроме того, нужно преодолеть ряд технических барьеров.
На сегодняшний день не совсем ясно, что именно в интернете вещей нужно защищать на таком высоком уровне. Однако по мере распространения технологии интернета вещей будет расти и ценность информации, и ценность ее взлома. В теории взлом может быть особенно опасен на полностью автоматизированном производстве. Так, если сенсоры будут передавать в центр принятия решения некорректную информацию, решения будут приниматься неправильно, и экономический ущерб от такой атаки может быть достаточно ощутимым.
חמישה תעשיות שבהן תחול תקשורת קוונטית בקרוב
- Финансы. Банки — первые адепты новых технологий.
- המגזר הציבורי.Здесь коммуникации связаны с данными пользователей, государственными системами, выборами, то есть всеми сферами, в которых важен высокий уровень защиты.
- Телекоммуникации. Сервисы удаленного хранения информации (им также важна хорошая защита). Данные для хранения могут быть зашифрованы квантовым способом.
- תרופה.העולם אוסף יותר ויותר נתונים גנטיים,הקובעים את כל חייו של האדם ותכונותיו. במספר מדינות כבר מתנהל תהליך לתת כוח משפטי לחלק מהנתונים הגנטיים של האדם, ולהשוות אותו לנתוני דרכון. חשוב גם להגן עליהם מפני התקפות ומניפולציות.
- Энергетика. Важно защищать управление крупной инфраструктурой, системы автоматизации, передачи энергии. Уже сейчас во многих точках таких систем используется криптография.
תקשורת קוונטית בעולם וברוסיה
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).
תחום התקשורת הקוונטית ברוסיה נראה כמוהשקעה אטרקטיבית. הרמה הטכנולוגית של הקריפטוגרפיה הקוונטית הרוסית כיום דומה לזו העולמית, וכמה פתרונות לעיבוד מפתחות לאחר העיבוד נראים טוב יותר מאשר עמיתיהם העולמיים.
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.
לא כל החברות חולקות באופן גלוי נתונים האםבאיזה שלב ההתפתחות הם הפתרונות שלהם. ל- QRate יש מוצר מוגמר מוכן לשימוש תעשייתי, הוא נבדק על ידי לקוחות פוטנציאליים - למשל, גזפראמבנק. Sber גם בדקה את מערכות החברה לאיתור תקלות במשך שנה. הסטארט -אפ מפתח טכנולוגיית תקשורת קוונטית עם דגש על יישום סיבים אופטיים.
הבנייה החלה בדצמבר 2020עמוד השדרה הקוונטי מוסקבה - סנט פטרסבורג על ידי הרכבת הרוסית. זהו קו שיורכב מקטעים במרחק של 100-200 ק"מ. הם נחוצים כדי להפחית את ההפסדים בהעברת האות, הצפנה מחדש של האות בצמתים. משתמשים בצמתים אמינים קלאסיים ברשת מכיוון שחוזרי הקוונטים עדיין אינם מפותחים מספיק (עוד אחת הבעיות המדעיות הגדולות). באופן כללי, רשת זו היא דוגמה לפרויקט משתלם כלכלית בתחום התקשורת הקוונטית עם כמות גדולה של נתונים המסתובבים בין מוסקבה לסנט פטרבורג. הרשת תסייע, בין היתר, להגן על ערוצי התקשורת שבאמצעותם ישלטו סאפסנים וסנוניות בלתי מאוישות.
קרא עוד:
האטת סיבוב כדור הארץ גרמה לשחרור חמצן על כדור הארץ
אסטרונומים מזהים מבנים יוצאי דופן בחלל העמוק
ראה עוד אמנות רוק ניאנדרטלית בת 60,000 שנה