Kas yra kvantinis bendravimas
Siūlau pradėti nuo pagrindų ir pažvelgti į pačią frazę. Jis turi
Labiausiai išvystyta technologijos kryptis- kvantinė kriptografija arba, tiksliau, kvantinio rakto paskirstymas. Tai yra metodų rinkinys, skirtas nuotoliniams vartotojams sukurti bendrą slaptą raktą, kuris vėliau naudojamas šifravimui.
Kita kvantinių ryšių užduotis yra perdavimaskvantinė informacija tarp kvantinių kompiuterių. Technologijos sklandžiai juda link paskirstytojo kvantinio skaičiavimo kūrimo, tai yra, pavyzdžiui, centrinio kvantinio kompiuterio ir daugybės periferinių mašinų, kurios išsprendžia kai kurias papildomas užduotis ir perduoda duomenis, kūrimą. Alternatyva tam galėtų būti tarpusavyje sujungtų nuotolinių kvantinių procesorių rinkinys. 2021 m. vasario mėn. grupė mokslininkų iš Vokietijos pademonstravo galimybę perduoti kvantinę informaciją tarp dviejų modulinių kvantinių procesorių. Eksperimento rezultatai buvo paskelbti žurnale „Science“. Tai svarbus technologijų plėtros žingsnis, parodęs, kad galima padidinti kvantinio skaičiavimo technologijų galią sujungiant kelis įrenginius į tinklą.
Įdomi technologinė savybė yraFaktas yra tas, kad jei kvantiniuose kompiuteriuose mes pasirenkame platformą, kuri efektyviausiai tinka tam tikroms problemoms spręsti, tai keičiantis kvantine informacija viskas yra akivaizdu: fotonai, tai yra šviesos dalelės, atlieka geriausią darbą. Alternatyvų praktiškai nėra. Todėl tyrėjai jau žino, kokia bus elementų bazė. Vienintelis sunkumas yra tas, kad kvantinė informacija, kuri atsiranda, pavyzdžiui, veikiant superlaidžiam kvantiniam kompiuteriui, kažkaip paverčiama fotonu, kuris gali būti perduodamas dideliais atstumais. Tada vėl konvertuokite į formą, kuri yra prieinama kvantiniam kompiuteriui. Jei kvantinė kriptografija yra aiškus technologinis frontas, kuris yra labai aukštoje parengties stadijoje, tai kvantinių ryšių sritis, susijusi su keitimu kvantine informacija tarp kvantinių kompiuterių, yra didelė užduotis, kuri yra gana ankstyvoje stadijoje.
Kvantiniuose skaičiavimuose tai yra įprasta praktikakalbant apie kvantinį tūrį – didinant kubitų skaičių ir operacijų tikslumą, kvantinėse komunikacijose plačiame kontekste dar nėra vienos metrikos. Kvantinėje kriptografijoje mokslininkai sutelkia dėmesį į raktų generavimo greitį bet kokiu atstumu. Dažniausiai laikomas 50 km rakto generavimo greitis, leidžiantis palyginti skirtingus įrenginius. Kartais jie taip pat tiria kai kurias ribojančias charakteristikas, pavyzdžiui, didžiausią atstumą generuojant raktus.
Geležinkelio kvantos
Aplink geležinkelių transporto sistemą yra keletas sričių, kuriose kvantinis ryšys (įskaitant kriptografiją) gali būti naudingas.
Visų pirma, tai istorija apie šviesolaidįkabeliai. Šviesolaidinis kabelis yra viena iš pagrindinių kvantinės informacijos perdavimo priemonių. Kvantinėje kriptografijoje mes ją naudojame fotonams, kurie sudaro kriptografinius raktus, perduoti.
Antra, pati geležinkelio infrastruktūra -sudėtingų techninių objektų, kurie turi būti apsaugoti, rinkinys. Idealiu atveju, jei turėtume kvantinį raktų paskirstymą palei geležinkelio linijas, galėtume naudoti šiuos kvantinius raktus, kad išspręstume geležinkelių pramonėje kylančias informacijos saugumo problemas.
Galiausiai, daugelis geležinkelio maršrutų -ne tik žmonių, bet ir didelio kiekio įvairių duomenų gabenimas. Pavyzdžiui, Maskva - Sankt Peterburgas, vienas iš pavyzdinių Rusijos geležinkelių projektų. Maršruto vertė akivaizdi: Maskvoje yra milžiniškas duomenų vartotojų skaičius ir ne mažesnis skaičius Sankt Peterburgo. Jie keičiasi dideliu kiekiu prasmingos informacijos, kurią reikia saugoti, todėl idėja naudoti kvantinę kriptografiją, be jokios abejonės, yra ekonomiškai pagrįsta.
Paprastai kvantinio paskirstymo įgyvendinimasraktai tarp dviejų taškų A ir B, esantys daugiau nei šimto kilometrų atstumu, atliekami pridedant papildomų tarpinių patikimų mazgų maršrute nuo A iki B. Toks tinklas vadinamas „stuburu“ (angliškai. backbone) - „aukštųjų technologijų“). Pasaulyje taip pat galima žiedo struktūra: kai žiedo dalis sugenda, informacija gali būti išsiųsta į kitą žiedo dalį. Su žvaigždžių sistemos dizainu veikia centrinis biuras ir periferinė architektūra - jie tinka paskirstytai architektūrai. Gali būti uždaros ir atviros struktūros, suskaidytos, kaip Pekino-Šanchajaus tinklas, tai yra savotiškas „stuburas“ su tolimojo susisiekimo tinklų rinkiniu.
Kvantinė ir postkvantinė kriptografija
Nemanykite, kad kriptografija yratai skirta tik finansų ar bankų sektoriaus įmonėms, ji taikoma visiems. Mes visi turime keistis duomenimis užšifruota forma, nes dalis mūsų naudojamos informacijos iš tikrųjų yra labai vertinga. Pavyzdžiui, norime pirkti internetu naudodami kredito kortelę. Norėdami tai padaryti, turime kažkaip perduoti kredito kortelės duomenis bankui, bet kad bankas galėtų nurašyti pinigus, bet užpuolikas to nedaro.
Kriptografijos paradigma grindžiama tuo, kad metodastransformacija yra žinoma užpuolikui. Tai yra, jis žino, kaip mes šifruojame, bet nežino vienintelio slapto šifravimo parametro – kriptografinio rakto. Tai reiškia, kad norint įgyvendinti šifravimo ciklą, turime kažkaip pasikeisti kriptografiniu raktu su informacijos gavėju.
Kaip aš galiu perkelti raktus?Šiai problemai spręsti valstybės ir įmonės lygiu buvo pasitelkti specialūs kurjeriai. Metodas iš dalies įgyvendinamas iki šiol – pavyzdžiui, diplomatai. Šio požiūrio trūkumai yra akivaizdūs: jis sudėtingas, ekonomiškai neįgyvendinamas ir funkciškai tinkamas tik labai nedaugeliui operacijų – tokiu būdu knygos internetu nusipirkti nepavyks.
Kažkur 70-ųjų ir 80-ųjų viduryje naujasSąvoka yra viešojo rakto kriptografija. Idėja yra ta, kad mes galime sugeneruoti kriptografinį raktą įgyvendindami tam tikrą matematinių procedūrų rinkinį. Taigi mums, teisėtiems vartotojams, tereikės atlikti efektyvius matematinius veiksmus, tokius kaip skaičių dauginimas. Ir tam, kad užpuolikai galėtų pasiekti mūsų raktus, jiems reikės atlikti sudėtingą operaciją – pavyzdžiui, į pirminius veiksnius įtraukti skaičius.
Ši koncepcija puikiai veikia ir šiandien, betTam tikru momentu tapo aišku, kad tą akimirką, kai pasirodys pakankamai galingas kvantinis kompiuteris, dabartinė algoritmų karta, sukurta remiantis tokiomis problemomis kaip skaičių pavertimas pirminiais faktoriais, nustos būti stabilus. Reikės naujų priemonių kriptografiniams raktams generuoti, nes pagrindinis pažeidžiamas kriptografijos elementas, atsiradus kvantiniam kompiuteriui, bus raktų paskirstymas ir skaitmeniniai parašai.
Yra du iš esmės nauji požiūriaisprendžiant problemą. Pirmasis yra kvantinė kriptografija, tai yra kvantinio rakto paskirstymas (kurį aprašėme anksčiau). Kvantinė kriptografija veikia taip: mes koduojame informacijos bitus į atskiras kvantines šviesos būsenas (fotonus) ir perduodame jas. Perdavimo klaidų lygis gali iš karto nustatyti įsibrovėlių įsibrovimo laipsnį. Jei klaidų lygis neviršija tam tikros ribos, sakome, kad galime specialiai sutrumpinti raktus, kad perėmėjo informacija apie sutrumpintus raktus būtų nereikšminga. Ši procedūra vadinama „grūdinimu“ ir reikalinga galutiniams slaptiems raktams gauti.
Taigi mes išsprendžiame platinimo problemąkriptografinius raktus, jei įsibrovėliai turi kvantinį kompiuterį, nes kvantinės kriptografijos negalima sugadinti naudojant kvantinį kompiuterį. Privalumai: pagrindinis, fizika pagrįstas saugumas. Trūkumai: raktų generavimo atstumo, kainos ir greičio apribojimai. Taip pat svarbu pažymėti, kad kvantinių raktų paskirstymo sistemos yra sudėtingos aparatinės ir programinės įrangos sistemos. Nepaisant to, kad kvantiniu būdu sukurtų raktų saugumas įrodytas remiantis kvantinės mechanikos aksiomomis, visuomet egzistuoja tam tikro fizinio įgyvendinimo pažeidžiamumo pavojus.
Antrasis požiūris - po kvantinės kriptografijos - idėjanaujų asimetrinių kriptografinių algoritmų sukūrimas, paremtas ne skaičių suskaidymo į pirminius veiksnius problemomis, o kitomis sudėtingomis matematinėmis problemomis, kurias sprendžiant kvantinis kompiuteris neturės pranašumų. Pavyzdžiui, ieškant maišos funkcijos susidūrimo. Pasirodo, jei sukursime parašą ar paskirstysime raktus ant tokių, kaip sakoma, postkvantinių primityvų, galime apsisaugoti nuo atakų naudodami kvantinį kompiuterį.
Šiandien pakanka postkvantinės kriptografijosgerai išvystyta: jau pristatomos komercinės bibliotekos, sprendimai, produktai. Dabar technologija išgyvena standartizacijos etapą: tiek Rusijoje, tiek pasaulyje vyksta sprendimas, kurie sprendimai bus standartizuoti. Manau, kad 2024 m. standartai bus fiksuoti. Technologijos privalumai: paprastumas ir didelis integravimo greitis (kadangi kalbame apie programinę įrangą), reguliarūs programinės įrangos atnaujinimai. Jau šiandien tokie sprendimai naudojami siekiant sustiprinti įvairių paslaugų ir programų, skirtų verslo vartotojams ir privatiems asmenims (interneto, mobiliųjų ir darbalaukio programų), vertingų duomenų apsaugą. Pagrindinis trūkumas yra tas, kad postkvantinės kriptografijos slaptumas vis dar grindžiamas tam tikromis prielaidomis apie tam tikrų klasių matematinių problemų sprendimo sudėtingumą. Visada yra tam tikra hipotetinė tikimybė, kad atsiras „postkvantinis“ kompiuteris, su kuriuo bus galima nulaužti postkvantinius algoritmus. Skirtingai nuo kvantinio rakto paskirstymo. Čia nėra jokios iš esmės įrodomos jėgos – tokie algoritmai ir toliau tiriami jų atsparumo požiūriu.
Verta paminėti, kad šios dvi technologijos gali būtilabai gerai derinamas. Taigi labai apkrauti stuburiniai duomenų perdavimo kanalai tarp, pavyzdžiui, didelių įmonių duomenų centrų, gali būti apsaugoti naudojant kvantinę kriptografiją. O mūsų susirašinėjimas ar banko operacija už tūkstantį rublių atliekama naudojant postkvantinę kriptografiją. Tai reiškia, kad kvantinei ir postkvantinei kriptografijai nereikėtų prieštarauti, o produktyviai galvoti apie jas kaip apie sinergetines technologijas. Tiesiog vienas labiau orientuotas į krūvos sluoksnį, susijusį su infrastruktūra, o kitas – su vartotoju.
Kvantinės kriptografijos standartas taip pat yraformuojasi. Standartas bus konkretus protokolas, tai yra konkretus metodas, kokią kvantinę būseną reikia paimti, kaip ją paruošti, išmatuoti ir ką su ja daryti toliau. Kol kas yra vienas kandidatas į standartus – BB84 protokolas su apgaulingomis būsenomis. Šis protokolas garantuoja slapto rakto generavimą. Tačiau nuolat atsiranda naujų protokolų.
Kvantinė blokų grandinė ir startuoliai
Pastaraisiais metais daug dėmesio buvo skiriamablockchain technologijos – paskirstytų duomenų bazių valdymo technologijos. Blockchains naudoja du svarbius kriptografinius įrankius. Pirma, elektroniniai parašai, patvirtinantys operacijų, kurias norime siųsti į blokus, autorystę. Antra, įvairūs metodai konsensusui pasiekti. Pavyzdžiui, vienas iš metodų – darbo įrodymas (anglų kalba, proof-of-work – „High-Tech“) yra pagrįstas kriptografinėmis maišos funkcijomis.
„Blockchain“ yra pažeidžiama nuo kvantinio kompiuterio įėjimoypač jei naudojami elektroniniai parašai ir konsensuso mechanizmai, kurie nėra atsparūs kvantinėms kompiuterių atakoms. Tačiau galima sukurti blokų grandines, kurios būtų atsparios tokioms atakoms – kvantiškai saugias (kvantines) blokų grandines. Kvantinė blokų grandinė naudoja kvantinę arba postkvantinę kriptografiją (arba jų derinį) ir leidžia parašus bei sutarimą padaryti atsparesnius kvantiniam kompiuteriui.
Atsižvelgiant į Rusijos vartotojų interesusgalime tikėtis, kad per ateinančius dvejus trejus metus šalyje atsiras kvantinė blokų grandinė. Iš pradžių būtina sukurti kvantinių ryšių tinklų infrastruktūrą, kurioje ateityje bus sukurta paskirstyta sistema.
Kvantinis bendravimas yra populiariausiasRusijos startuolių darbo kryptis. Rinkoje veikia keli didelių įmonių padaliniai, klasikinio informacijos saugumo pardavėjai. Tai yra startuoliai, kurių pagrindą sudaro ITMO universitetas, „Quanttelecom“, įmonių padaliniai, kurių specializacija yra informacijos saugumas, „InfoTeKS“ ir „Cryptosoft“. „QRate“ yra Rusijos kvantinio centro padalinys nuo 2017 m. Pradedantys verslai labiau linkę dirbti su dotacijomis ir privačiomis investicijomis. Rizikos sandoriai Rusijoje man vis dar nežinomi.
Daiktų internetas ir kvantinė sauga
Daugelis daiktų interneto įrenginių – jutiklių –gali būti ir klasikinis, ir kvantinis. Tarkime, kad turime klasikinių jutiklių rinkinį, daiktų interneto įrenginius, valdymo šliuzus, kuriuose yra konfidenciali informacija. Norint juos sujungti, reikia kriptografinės apsaugos protokolo – vėlgi kvantinės komunikacijos.
Šia kryptimi kol kas yra tikprototipai, apsaugantys atskirus elementus ar įrenginius – dar anksti kalbėti apie pramoninį mastą. Pirma, pasaulis turi suprasti krypties vertę, pasirinkti daiktų interneto įrenginį, kuriam reikia apsaugos, ir efektyviai įgyvendinti kvantinį ryšį. Be to, reikia įveikti daugybę techninių kliūčių.
Šiandien nėra visiškai aišku, kas tiksliai yraDaiktų internetas turi būti apsaugotas tokiu aukštu lygiu. Tačiau plintant daiktų interneto technologijai, didės ir informacijos bei įsilaužimo į ją vertė. Teoriškai įsilaužimas gali būti ypač pavojingas visiškai automatizuotoje gamyboje. Taigi, jei jutikliai perduos neteisingą informaciją sprendimų priėmimo centrui, sprendimai bus priimti neteisingai, o ekonominė žala dėl tokios atakos gali būti gana didelė.
Penkios pramonės šakos, kuriose netrukus bus pradėta taikyti kvantinė komunikacija
- Finansai.Bankai yra pirmieji naujų technologijų pritaikytojai.
- Viešasis sektorius.Čia komunikacija yra susijusi su vartotojų duomenimis, valdžios sistemomis, rinkimais, tai yra visomis sritimis, kuriose svarbus aukštas apsaugos lygis.
- Telekomunikacijos.Nuotolinės informacijos saugojimo paslaugos (joms taip pat svarbi gera apsauga). Saugojimui skirti duomenys gali būti užšifruoti naudojant kvantinį metodą.
- Vaistas.Pasaulis renka vis daugiau genetinių duomenų,kurie nulemia visą žmogaus gyvenimą ir jo bruožus. Daugelyje šalių jau vyksta procesas, suteikiantis teisinę galią daliai asmens genetinių duomenų, prilyginant juos paso duomenims. Taip pat svarbu juos apsaugoti nuo atakų ir manipuliacijų.
- Energija.Svarbu apsaugoti didelės infrastruktūros valdymą, automatizavimo sistemas, energijos perdavimą. Kriptografija jau naudojama daugelyje tokių sistemų taškų.
Kvantinės komunikacijos pasaulyje ir Rusijoje
Kvantinė komunikacija visame pasaulyje tapo jos daliminacionalinės kvantinių technologijų programos. Pasaulio lydere ekspertai laiko Kiniją, tačiau komunikacija aktyviai vystosi ir Europos Sąjungoje. Japonijos kompanija Toshiba išlaiko laboratoriją Kembridže, keli projektai veikia JK ir JAV (tačiau pastarieji vis tiek labiau orientuoti į kvantinę kompiuteriją).
Rusijoje atrodo kvantinių ryšių sferainvesticija patraukli. Šiandieninis Rusijos kvantinės kriptografijos technologinis lygis yra panašus į pasaulinį, o kai kurie raktų papildomo apdorojimo sprendimai atrodo geriau nei jų kolegos pasaulyje.
Kaip ir bet kuri gana jauna technologija,Kvantinė komunikacija turi tam tikrų sunkumų dėl plačiai paplitusio vystymosi. Kol pasaulyje nėra precedento įsilaužimo ar vertingos informacijos vagystės naudojant kvantinį kompiuterį, kvantinis šifravimas labiau atrodo kaip draudimas. Žmonės nesupranta, ar jo potencialas visiškai išnaudojamas, o tai savo ruožtu apsunkina investicijų pritraukimą. Norint įrodyti potencialą, reikia bent vieno įsilaužimo. Be to, norint tai atskleisti, Rusijos rinkai trūksta tokių projektų kaip kelių žemėlapis; masinė prietaisų gamyba ir bandymai juos tobulinti.
Ne visos įmonės atvirai dalijasi duomenimis, arkoks vystymosi etapas yra jų sprendimai. „QRate“ turi gatavą produktą, paruoštą naudoti pramonėje, jį bando potencialūs klientai, pavyzdžiui, „Gazprombank“. „Sber“ taip pat metus išbandė bendrovės sistemas, ar jos netoleruoja gedimų. Startuolis kuria kvantinio ryšio technologiją, daugiausia dėmesio skiriant optinio pluošto diegimui.
Statybos prasidėjo 2020 m. Gruodžio mėnRusijos geležinkelių „kvantinis tinklas Maskva - Sankt Peterburgas“. Tai linija, kurią sudarys segmentai 100-200 km atstumu. Jie reikalingi norint sumažinti signalo perdavimo nuostolius, pakartotinį signalo šifravimą mazguose. Klasikiniai patikimi tinklo mazgai naudojami, nes kvantiniai kartotuvai dar nėra pakankamai išvystyti (dar viena iš didelių mokslinių problemų). Apskritai šis tinklas yra ekonomiškai perspektyvaus projekto kvantinių ryšių srityje pavyzdys, kai tarp Maskvos ir Sankt Peterburgo cirkuliuoja daug duomenų. Tinklas, be kita ko, padės apsaugoti ryšio kanalus, per kuriuos bus valdomi nepilotuojami sapnai ir kregždės.
Skaityti daugiau:
Žemės sukimosi sulėtėjimas sukėlė deguonies išsiskyrimą planetoje
Astronomai gilioje erdvėje pastebi neįprastas struktūras
Pamatykite daugiau 60 000 metų senumo neandertaliečių roko meną