量子通信とは
まずは基本から始めて、フレーズそのものを確認することをお勧めします。それは持っています
テクノロジーの中で最も発展した方向性-量子暗号、より正確には、量子鍵配送。これは、リモートユーザー間で共有秘密鍵を生成することを目的とした一連のメソッドであり、暗号化に使用されます。
量子通信のもう 1 つのタスクは送信です。量子コンピュータ間の量子情報。テクノロジーは、分散量子コンピューティングの開発、つまり、たとえば、いくつかのサブタスクを解決して相互にデータを送信する中央量子コンピューターと多くの周辺マシンの作成に向けて順調に進んでいます。これに代わる方法としては、相互接続されたリモート量子プロセッサのセットが考えられます。 2021 年 2 月、ドイツの研究者グループは、2 つのモジュール式量子プロセッサ間で量子情報を転送できる可能性を実証しました。実験結果はサイエンス誌に掲載された。これは技術開発における重要なステップであり、複数のデバイスをネットワークに組み合わせることで量子コンピューティング技術の能力を向上させることが可能であることを示しました。
興味深い技術的特徴は、実際、量子コンピュータで特定の問題を解決するのに最も効果的に適したプラットフォームを選択した場合、量子情報の交換ではすべてが明らかです。光子、つまり光の粒子が最適な仕事をします。実質的に代替手段はありません。したがって、研究者は元素ベースが何になるかをすでに知っています。唯一の問題は、たとえば超伝導量子コンピューターの動作の一部として発生する量子情報が、何らかの方法で長距離を送信できる光子に変換されることです。そして、それを量子コンピューターがアクセスできる形式に再度変換します。量子暗号が準備の非常に高い段階にある明確な技術最前線である場合、量子コンピューター間の量子情報の交換に関連する量子通信の分野は、かなり初期段階にある大きな課題です。
量子コンピューティングではそれが一般的ですが、量子ボリュームについて言えば、量子ビットの数と演算の精度が増加するということですが、広範な文脈における量子通信にはまだ単一の指標がありません。量子暗号では、科学者はあらゆる距離での鍵の生成速度に焦点を当てます。ほとんどの場合、キーの生成速度は 50 km と考えられ、これによりさまざまなデバイスを比較できます。場合によっては、キーを生成するための最大距離など、いくつかの制限特性も研究します。
鉄道クォンタム
鉄道輸送システムの周囲には、量子通信 (暗号化を含む) が役立つ可能性のある領域がいくつかあります。
まず第一に、これは光ファイバーについての話ですケーブル。光ファイバケーブルは、量子情報を送信するための主要なツールの1つです。量子暗号では、暗号鍵を形成する光子を送信するために使用します。
第二に、鉄道インフラ自体-保護する必要のある複雑な技術オブジェクトのセット。理想的には、鉄道路線に沿って鍵の量子分布があれば、これらの量子鍵を使用して、鉄道業界で発生する情報セキュリティの問題を解決できます。
そして最後に、多くの鉄道路線-人の移動だけでなく、大量のさまざまなデータの移動も。たとえば、モスクワ-ロシア鉄道の旗艦プロジェクトの1つであるピーターズバーグ。ルートの価値は明らかです。モスクワには膨大な数のデータユーザーがおり、サンクトペテルブルクにもそれ以上の数があります。それらは保護する必要のある大量の意味のある情報を交換するので、量子暗号を使用するという考えは間違いなく経済的に正当化されます。
通常、量子分布の実装100 km以上の距離にある2つのポイントAとBの間のキーは、AからBへのルートに中間の信頼できるノードを追加することによって実行されます。このようなネットワークは「バックボーン」（英語ではバックボーン）と呼ばれます。 -「ハイテク」）。リング構造は世界でも可能です。リングの一部に障害が発生した場合、情報をリングの別の部分に送信できます。スターシステム設計により、セントラルオフィスと周辺アーキテクチャが機能します。これらは分散アーキテクチャに適しています。北京-上海ネットワークのように、分岐した閉じた構造と開いた構造があります。これは、一連の長距離ネットワークを備えた一種の「バックボーン」です。
量子およびポスト量子暗号
暗号化が金融または銀行セクターの企業専用であり、すべての人に関係します。私たちが使用する情報の一部は実際には価値が高いため、私たち全員が暗号化された形式でデータを交換する必要があります。たとえば、クレジットカードを使用してインターネットで購入したいとします。これを行うには、クレジットカードの詳細を銀行に転送する必要がありますが、銀行はお金を帳消しにすることができますが、攻撃者はそうしません。
暗号化パラダイムは、次のような方法が存在するという事実に基づいています。変換は攻撃者に知られています。つまり、彼は暗号化方法を知っていますが、唯一の秘密の暗号化パラメータである暗号キーを知りません。これは、暗号化サイクルを実装するには、何らかの方法で情報の受信者と暗号キーを交換する必要があることを意味します。
キーを転送するにはどうすればよいですか?この問題を解決するために、州および企業レベルで特別な宅配業者が使用されました。この方法は、外交官などによって今日まで部分的に実施されています。このアプローチの欠点は明らかです。複雑で経済的に実行可能ではなく、機能的にはごく少数の操作にしか適していません。この方法ではインターネットで書籍を購入することはできません。
70 年代半ばから 80 年代にかけて、新しいコンセプトは公開鍵暗号です。考え方としては、数学的手順をいくつか実装することで暗号キーを生成できるというものです。したがって、私たち正規ユーザーは、数値の乗算などの効率的な数学演算のみを実行する必要があります。そして、攻撃者が私たちのキーにアクセスするには、数値を素因数分解するなど、複雑な操作を実装する必要があります。
この概念は現在でもうまく機能していますが、ある時点で、十分に強力な量子コンピューターが登場した瞬間に、数値を素因数分解するなどの問題に基づいて構築された現世代のアルゴリズムは安定しなくなることが明らかになりました。量子コンピュータの出現により暗号化の主な脆弱な要素は鍵の配布とデジタル署名になるため、暗号鍵を生成する新しい手段が必要となります。
に2つの根本的に新しいアプローチがあります問題を解決します。 1つ目は、量子暗号、つまり量子鍵配送（前述）です。量子暗号は次のように機能します。情報のビットを単一の光の量子状態（光子）にエンコードして送信します。送信のエラーのレベルは、侵入者の侵入の程度を即座に決定できます。エラー率が特定のしきい値を超えない場合、短縮されたキーに関するインターセプター情報が無視できるように、特別な方法でキーを短縮できると言います。この手順は「強化」と呼ばれ、最終的な秘密鍵を取得するために必要です。
したがって、私たちは流通の問題を解決します侵入者が量子コンピューターを持っている場合の暗号鍵。量子暗号は量子コンピューターでは破られないためです。利点：基本的な物理ベースのセキュリティ。短所：キー生成の距離、コスト、および速度の制限。量子鍵配送システムは複雑なハードウェアおよびソフトウェアシステムであることに注意することも重要です。量子生成されたキーのセキュリティは量子力学の公理に基づいて証明されているという事実にもかかわらず、特定の物理的実装には常に脆弱性の危険性があります。
2番目のアプローチ-ポスト量子暗号-アイデア数を素因数に分解する問題ではなく、他の複雑な数学的問題に基づいて構築された新しい非対称暗号化アルゴリズムの作成。この解決策では、量子コンピューターには利点がありません。たとえば、ハッシュ関数の衝突を検索します。彼らが言うように、ポスト量子プリミティブに署名や鍵の配布を構築すれば、量子コンピューターを使用して攻撃から身を守ることができることがわかりました。
今日ではポスト量子暗号で十分ですよく開発されており、商用ライブラリ、ソリューション、製品がすでに提供されています。現在、このテクノロジーは標準化の段階を経ています。ロシアでも世界でも、どのソリューションを標準化するかを決定するプロセスが進行中です。 2024年までには基準が決まると思います。このテクノロジーの利点: シンプルさと統合の高速性 (ソフトウェアについて話しているため)、定期的なソフトウェア更新。すでに今日、このようなソリューションは、企業ユーザーや個人向けの幅広いサービスやアプリケーション (Web、モバイル、デスクトップ アプリケーション) の貴重なデータの保護を強化するために使用されています。主な欠点は、ポスト量子暗号の機密性が依然として、特定の種類の数学的問題を解くことの難しさに関するいくつかの仮定に基づいていることです。 「ポスト量子」コンピューターが出現し、ポスト量子アルゴリズムをハッキングできる可能性があるという仮説の可能性が常に存在します。量子鍵配布とは異なります。ここには根本的に証明できる強度はありません。そのようなアルゴリズムは、耐性の観点から研究され続けています。
これら 2 つのテクノロジーは次のことが可能であることは注目に値します。とてもよく組み合わされています。したがって、たとえば大企業のデータセンター間の高負荷のバックボーン データ伝送チャネルは、量子暗号を使用して保護できます。そして、私たちの通信や千ルーブルの銀行取引はポスト量子暗号を使用して行われます。つまり、量子暗号とポスト量子暗号は対立するものではなく、相乗効果のある技術として生産的に考える必要があります。 1 つはインフラストラクチャに関連するスタック層に重点を置き、もう 1 つはユーザーに関連するという点だけです。
量子暗号規格も形成されつつある。標準は特定のプロトコル、つまりどのような量子状態を取得する必要があるか、それをどのように準備して測定するか、次にそれをどうするかについての具体的な方法になります。これまでのところ、標準の候補は 1 つあります。それは、欺瞞状態を備えた BB84 プロトコルです。このプロトコルは秘密鍵の生成を保証します。しかし、新しいプロトコルは常に登場しています。
Quantumブロックチェーンとスタートアップ
近年、非常に注目されているのが、ブロックチェーン技術 - 分散データベースを管理するための技術。ブロックチェーンは 2 つの重要な暗号化ツールを使用します。まず、ブロックに送信するトランザクションの作成者を確認するための電子署名です。第二に、合意を達成するためのさまざまな方法。たとえば、手法の 1 つであるプルーフ オブ ワーク (英語では、proof-of-work - 「ハイテク」) は、暗号化ハッシュ関数に基づいています。
ブロックチェーンは量子コンピューターに対して脆弱です特に電子署名やコンセンサスメカニズムが使用されている場合は、量子コンピュータ攻撃に耐性がありません。ただし、そのような攻撃に耐性のあるブロックチェーン、つまり量子安全 (量子) ブロックチェーンを作成することは可能です。量子ブロックチェーンは、量子暗号またはポスト量子暗号 (またはそれらの組み合わせ) を使用し、署名とコンセンサスを量子コンピューターに対してより耐性のあるものにすることができます。
ロシアのユーザーの関心に応じて将来2、3年でこの国に量子ブロックチェーンが出現することが期待できます。当初は、量子通信ネットワークのインフラストラクチャを構築する必要があり、将来的には分散システムが構築されます。
量子通信が最も人気がありますロシアのスタートアップの仕事の方向性。古典的な情報セキュリティのベンダーである大企業のいくつかの部門が市場で活動しています。これらは、ITMO大学、Quantelecom、情報セキュリティを専門とする企業の部門、Infotecs、Cryptosoftを拠点とするスタートアップです。 QRateは、2017年からロシア量子センターから派生したものです。新興企業は、助成金や民間投資を利用する可能性が高くなります。ロシアでのベンチャー取引はまだ私にはわかりません。
モノのインターネットと量子セキュリティ
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.
量子通信がまもなく適用される5つの産業
- Финансы. Банки — первые адепты новых технологий.
- Госсектор. 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.
- Медицина. 世界はますます多くの遺伝子データを収集しています、人の生涯とその特徴を決定します。多くの国で、人の遺伝子データの一部に法的効力を与え、それをパスポートデータと同一視するプロセスがすでに進行中です。攻撃や操作からそれらを保護することも重要です。
- Энергетика. Важно защищать управление крупной инфраструктурой, системы автоматизации, передачи энергии. Уже сейчас во многих точках таких систем используется криптография.
世界とロシアの量子通信
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).
ロシアの量子通信の領域は次のようになります魅力的な投資。今日のロシアの量子暗号の技術レベルは世界的なものに匹敵し、鍵の後処理のためのいくつかのソリューションは、世界の対応するものよりもよく見えます。
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.
すべての企業が公然とデータを共有しているわけではありませんそれらのソリューションは開発のどの段階にありますか。 QRateは、産業用の完成品を用意しており、Gazprombankなどの潜在的なクライアントによってテストされています。 Sberはまた、同社のシステムのフォールトトレランスを1年間テストしました。このスタートアップは、光ファイバーの実装に焦点を当てた量子通信技術を開発しています。
2020年12月に着工バックボーン量子ネットワークモスクワ-ロシア鉄道によるサンクトペテルブルク。これは、100〜200kmの距離にあるセグメントで構成される線です。これらは、信号伝送の損失、ノードでの信号の再暗号化を減らすために必要です。量子リピーターがまだ十分に開発されていないため、ネットワーク内の従来の信頼できるノードが使用されます（もう1つの大きな科学的問題）。一般に、このネットワークは、モスクワとサンクトペテルブルクの間を大量のデータが循環している量子通信の分野で経済的に実行可能なプロジェクトの例です。ネットワークは、とりわけ、無人のサプサンとツバメが制御される通信チャネルを保護するのに役立ちます。
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