Kas ir kvantu komunikācija
Es iesaku sākt ar pamatiem un aplūkot pašu frāzi. Viņam ir
Visattīstītākais tehnoloģijas virziens- kvantu kriptogrāfija vai, precīzāk, kvantu atslēgu sadalījums. Šis ir metožu kopums, kura mērķis ir ģenerēt kopīgu slepeno atslēgu starp attāliem lietotājiem, kuru pēc tam izmanto šifrēšanai.
Vēl viens kvantu sakaru uzdevums ir pārraidekvantu informācija starp kvantu datoriem. Tehnoloģijas vienmērīgi virzās uz izkliedētās kvantu skaitļošanas attīstību, tas ir, piemēram, centrālā kvantu datora un daudzu perifērijas iekārtu izveidi, kas atrisina dažus apakšuzdevumus un pārsūta datus viena otrai. Alternatīva tam varētu būt savstarpēji savienotu attālo kvantu procesoru komplekts. 2021. gada februārī pētnieku grupa no Vācijas demonstrēja iespēju pārsūtīt kvantu informāciju starp diviem modulāriem kvantu procesoriem. Eksperimenta rezultāti tika publicēti žurnālā Science. Šis ir būtisks solis tehnoloģiju attīstībā, kas parādīja, ka ir iespējams palielināt kvantu skaitļošanas tehnoloģiju jaudu, apvienojot tīklā vairākas ierīces.
Interesanta tehnoloģiskā iezīme irFakts ir tāds, ka, ja kvantu datoros mēs izvēlamies platformu, kas ir visefektīvākā noteiktu problēmu risināšanai, tad ar kvantu informācijas apmaiņu viss ir acīmredzams: fotoni, tas ir, gaismas daļiņas, dara vislabāko darbu. Alternatīvu praktiski nav. Tāpēc pētnieki jau zina, kāda būs elementu bāze. Vienīgā grūtība ir tāda, ka kvantu informācija, kas rodas, piemēram, supravadoša kvantu datora darbības ietvaros, kaut kādā veidā tiek pārveidota par fotonu, ko var pārraidīt lielos attālumos. Un pēc tam vēlreiz pārveidojiet to formā, kas ir pieejama kvantu datoram. Ja kvantu kriptogrāfija ir skaidra tehnoloģiskā fronte, kas ir ļoti augstā gatavības stadijā, tad kvantu sakaru joma, kas saistīta ar kvantu informācijas apmaiņu starp kvantu datoriem, ir liels uzdevums, kas ir diezgan agrīnā stadijā.
Kvantu skaitļošanā tā ir ierasta prakserunājot par kvantu apjomu - palielinot kubitu skaitu un operāciju precizitāti, kvantu komunikācijās plašā kontekstā vēl nav vienas metrikas. Kvantu kriptogrāfijā zinātnieki koncentrējas uz atslēgu ģenerēšanas ātrumu jebkurā attālumā. Visbiežāk tiek ņemts vērā atslēgas ģenerēšanas ātrums 50 km, kas ļauj salīdzināt dažādas ierīces. Dažreiz viņi pēta arī dažus ierobežojošus raksturlielumus, piemēram, maksimālo attālumu atslēgu ģenerēšanai.
Dzelzceļa kvanti
Dzelzceļa transporta sistēmā ir vairākas jomas, kurās varētu būt noderīgi kvantu sakari (tostarp kriptogrāfija).
Pirmkārt, tas ir stāsts par optisko šķiedrukabeļi. Optisko šķiedru kabelis ir viens no galvenajiem kvantu informācijas pārraides rīkiem. Kvantu kriptogrāfijā mēs to izmantojam, lai pārsūtītu fotonus, kas ļauj mums veidot kriptogrāfiskās atslēgas.
Otrkārt, pati dzelzceļa infrastruktūra -sarežģītu tehnisku objektu kopums, kas ir jāaizsargā. Ideālā gadījumā, ja mums būtu kvantu atslēgu sadalījums pa dzelzceļa līnijām, mēs varētu izmantot šīs kvantu atslēgas, lai atrisinātu informācijas drošības problēmas, kas rodas dzelzceļa nozarē.
Visbeidzot, daudzi dzelzceļa maršruti -ne tikai cilvēku pārvadāšana, bet arī liela daudzuma dažādu datu pārvadāšana. Piemēram, Maskava - Pēterburga, viens no Krievijas dzelzceļa galvenajiem projektiem. Maršruta vērtība ir acīmredzama: Maskavā un ne mazāk Sanktpēterburgā ir kolosāls datu lietotāju skaits. Viņi apmainās ar lielu daudzumu nozīmīgas informācijas, kas ir jāaizsargā, tāpēc ideja par kvantu kriptogrāfijas izmantošanu, bez šaubām, ir ekonomiski pamatota.
Parasti kvantu sadalījuma ieviešanataustiņi starp diviem punktiem A un B, kas atrodas vairāk nekā simts kilometru attālumā, tiek veikti, maršrutā no A līdz B. pievienojot papildu uzticamus starpposma mezglus. Šādu tīklu sauc par "mugurkaulu" (angļu valodā. backbone) - "augsto tehnoloģiju"). Pasaulē ir iespējama arī gredzena struktūra: ja gredzena daļa neizdodas, informāciju var nosūtīt uz citu gredzena daļu. Ar zvaigžņu sistēmas dizainu darbojas centrālais birojs un perifēra arhitektūra - tie ir piemēroti izkliedētai arhitektūrai. Var būt slēgtas un atvērtas struktūras, sazarotas, piemēram, Pekinas-Šanhajas tīkls, tas ir sava veida "mugurkauls" ar tālsatiksmes tīklu kopumu.
Kvantu un pēckvantu kriptogrāfija
Nedomājiet, ka kriptogrāfija irtas attiecas tikai uz uzņēmumiem finanšu vai banku nozarē, tas attiecas uz visiem. Mums visiem ir jāapmainās ar datiem šifrētā veidā, jo daļai mūsu izmantotās informācijas patiesībā ir liela vērtība. Piemēram, mēs vēlamies veikt pirkumu internetā, izmantojot kredītkarti. Lai to izdarītu, mums kaut kādā veidā jāpārskaita kredītkartes dati uz banku, bet lai banka varētu naudu norakstīt, bet uzbrucējs to nedara.
Kriptogrāfijas paradigma ir balstīta uz faktu, ka metodetransformācija uzbrucējam ir zināma. Tas ir, viņš zina, kā mēs šifrējam, bet viņš nezina vienīgo slepeno šifrēšanas parametru - kriptogrāfisko atslēgu. Tas nozīmē, ka, lai īstenotu šifrēšanas ciklu, mums ir kaut kādā veidā jāapmainās ar kriptogrāfisko atslēgu ar informācijas saņēmēju.
Kā es varu pārsūtīt atslēgas?Šīs problēmas risināšanai valsts un uzņēmuma līmenī tika izmantoti speciāli kurjeri. Metode ir daļēji ieviesta līdz mūsdienām - piemēram, diplomāti. Šīs pieejas trūkumi ir acīmredzami: tā ir sarežģīta, nav ekonomiski izdevīga un funkcionāli piemērota tikai ļoti nelielam skaitam darbību — šādā veidā grāmatu internetā nopirkt nevarēs.
Kaut kur 70. un 80. gadu vidū jaunsjēdziens ir publiskās atslēgas kriptogrāfija. Ideja ir tāda, ka mēs varam ģenerēt kriptogrāfisko atslēgu, ieviešot kādu matemātisko procedūru kopumu. Tātad mums, likumīgajiem lietotājiem, būs jāveic tikai efektīvas matemātiskas darbības, piemēram, skaitļu reizināšana. Un, lai uzbrucēji varētu piekļūt mūsu atslēgām, viņiem būs jāīsteno sarežģīta darbība, piemēram, skaitļu iekļaušana galvenajos faktoros.
Šī koncepcija joprojām darbojas lieliski šodien, betKādā brīdī kļuva skaidrs, ka brīdī, kad parādīsies pietiekami jaudīgs kvantu dators, pašreizējā algoritmu paaudze, kas balstīta uz tādām problēmām kā skaitļu iekļaušana primārajos faktoros, pārstās būt stabila. Būs nepieciešami jauni līdzekļi kriptogrāfisko atslēgu ģenerēšanai, jo galvenais ievainojamais kriptogrāfijas elements līdz ar kvantu datora parādīšanos būs atslēgu izplatīšana un digitālie paraksti.
Ir divas principiāli jaunas pieejasproblēmas risināšana. Pirmais ir kvantu kriptogrāfija, tas ir, kvantu atslēgu sadalījums (ko mēs aprakstījām iepriekš). Kvantu kriptogrāfija darbojas šādi: mēs kodējam informācijas bitus atsevišķos gaismas kvantu stāvokļos (fotonos) un pārraidām tos. Pārraides kļūdu līmenis var nekavējoties noteikt iebrucēju ielaušanās pakāpi. Ja kļūdu līmenis nepārsniedz noteiktu slieksni, mēs sakām, ka mēs varam saīsināt savas atslēgas īpašā veidā, lai pārtvērēja informācija par saīsinātajām atslēgām būtu niecīga. Šo procedūru sauc par "sacietēšanu", un tā ir nepieciešama, lai iegūtu galīgās slepenās atslēgas.
Tādējādi mēs atrisinām izplatīšanas problēmukriptogrāfiskās atslēgas, ja iebrucējiem ir kvantu dators, jo kvantu kriptogrāfiju nevar salauzt ar kvantu datoru. Ieguvumi: fundamentāla, uz fiziku balstīta drošība. Trūkumi: atslēgas ģenerēšanas attāluma, izmaksu un ātruma ierobežojumi. Ir arī svarīgi atzīmēt, ka kvantu atslēgu izplatīšanas sistēmas ir sarežģītas aparatūras un programmatūras sistēmas. Neskatoties uz to, ka kvantu ģenerēto atslēgu drošība ir pierādīta, pamatojoties uz kvantu mehānikas aksiomām, vienmēr pastāv ievainojamības risks konkrētā fiziskā īstenošanā.
Otrā pieeja - pēckvantu kriptogrāfija - idejajaunu asimetrisku kriptogrāfijas algoritmu izveide, kas balstīta nevis uz skaitļu sadalīšanas galvenajos faktoros problēmām, bet gan uz citām sarežģītām matemātiskām problēmām, kuru risināšanā kvantu datoram nebūs nekādu priekšrocību. Piemēram, meklējot jaucējfunkcijas sadursmi. Izrādās, ja mēs veidojam atslēgu parakstu vai izplatīšanu uz tādiem, kā saka, postkvantu primitīviem, mēs varam aizsargāties pret uzbrukumiem, izmantojot kvantu datoru.
Mūsdienās pietiek ar postkvantu kriptogrāfijulabi attīstīta: jau ir prezentētas komerciālās bibliotēkas, risinājumi, produkti. Tagad tehnoloģija iet cauri standartizācijas stadijai: gan Krievijā, gan pasaulē notiek izlemšanas process, kuri risinājumi tiks standartizēti. Domāju, ka 2024. gada horizontā standarti tiks fiksēti. Tehnoloģijas priekšrocības: vienkāršība un liels integrācijas ātrums (jo mēs runājam par programmatūru), regulāri programmatūras atjauninājumi. Jau šobrīd šādi risinājumi tiek izmantoti, lai stiprinātu vērtīgu datu aizsardzību visdažādākajās korporatīvo lietotāju un privātpersonu pakalpojumu un aplikācijās (tīmekļa, mobilo un galddatoru aplikācijās). Galvenais trūkums ir tas, ka pēckvantu kriptogrāfijas slepenība joprojām ir balstīta uz dažiem pieņēmumiem par grūtībām atrisināt noteiktas matemātikas problēmas. Vienmēr pastāv kaut kāda hipotētiska varbūtība, ka parādīsies “postkvantu” dators, ar kuru būs iespējams uzlauzt postkvantu algoritmus. Atšķirībā no kvantu atslēgu sadalījuma. Šeit nav principiāli pierādāma spēka - šādi algoritmi tiek turpināti pētīt no to spēka viedokļa.
Ir vērts atzīmēt, ka šīs divas tehnoloģijas var būtļoti labi apvienots. Tādējādi ļoti noslogotus mugurkaula datu pārraides kanālus starp, piemēram, lielu uzņēmumu datu centriem var aizsargāt, izmantojot kvantu kriptogrāfiju. Un mūsu sarakste vai bankas darījums par tūkstoš rubļu tiek veikts, izmantojot pēckvantu kriptogrāfiju. Tas ir, kvantu un pēckvantu kriptogrāfiju nevajadzētu iebilst, bet gan produktīvi domāt par tām kā sinerģiskām tehnoloģijām. Vienkārši viens ir vairāk vērsts uz steka slāni, kas saistīts ar infrastruktūru, bet otrs ir saistīts ar lietotāju.
Kvantu kriptogrāfijas standarts arī irtiek veidota. Standarts būs konkrēts protokols, tas ir, konkrēta metode, kāds kvantu stāvoklis ir jāņem, kā to sagatavot un izmērīt un ko ar to darīt tālāk. Pagaidām ir viens kandidāts uz standartiem - BB84 protokols ar maldinošiem stāvokļiem. Šis protokols garantē slepeno atslēgu ģenerēšanu. Bet pastāvīgi parādās jauni protokoli.
Kvantu blokķēde un jaunizveidotie uzņēmumi
Pēdējos gados liela uzmanība ir pievērstablockchain tehnoloģijas - tehnoloģijas izplatīto datu bāzu pārvaldībai. Blokķēdes izmanto divus svarīgus kriptogrāfijas rīkus. Pirmkārt, elektroniskie paraksti, lai apstiprinātu to darījumu autorību, kurus vēlamies nosūtīt blokiem. Otrkārt, dažādas metodes vienprātības panākšanai. Piemēram, viena no metodēm, darba pierādījums (angļu valodā, proof-of-work - “High-Tech”), ir balstīta uz kriptogrāfijas jaucējfunkcijām.
Blockchain ir neaizsargāts pret kvantu datoru iekšienēīpaši, ja tiek izmantoti elektroniskie paraksti un konsensa mehānismi, kas nav izturīgi pret kvantu datoru uzbrukumiem. Tomēr ir iespējams izveidot blokķēdes, kas ir izturīgas pret šādiem uzbrukumiem — kvantu drošas (kvantu) blokķēdes. Kvantu blokķēde izmanto vai nu kvantu, vai pēckvantu kriptogrāfiju (vai to kombināciju), un tā ļauj parakstus un vienprātību padarīt izturīgākus pret kvantu datoru.
Ievērojot Krievijas lietotāju interesesmēs varam sagaidīt kvantu blokķēdes parādīšanos valstī divu līdz trīs gadu laikā. Sākotnēji ir jāizveido kvantu sakaru tīklu infrastruktūra, uz kuras nākotnē tiks izveidota izplatīta sistēma.
Kvantu komunikācija ir vispopulārākāvirziens Krievijas jaunuzņēmumu darbam. Tirgū darbojas vairākas lielu uzņēmumu nodaļas, klasiskās informācijas drošības pārdevējas. Tie ir jaunuzņēmumi, kuru pamatā ir ITMO universitāte, Quanttelecom, uzņēmumu nodaļas, kas specializējas informācijas drošībā, InfoTeKS un Cryptosoft. QRate ir Krievijas kvantu centra papildinājums kopš 2017. Jaunuzņēmumi, visticamāk, strādās ar dotācijām un privātiem ieguldījumiem. Riska darījumi Krievijā man joprojām nav zināmi.
Lietu internets un kvantu drošība
Daudzas lietiskā interneta ierīces - sensori -var būt gan klasisks, gan kvantu. Pieņemsim, ka mums ir klasisku sensoru komplekts, lietu interneta ierīces, vadības vārtejas, kurām ir konfidenciāla informācija. Lai tos savienotu kopā, nepieciešams kriptogrāfijas aizsardzības protokols — atkal kvantu sakari.
Šajā virzienā pagaidām ir tikaiprototipi, kas aizsargā atsevišķus elementus vai ierīces - ir pāragri runāt par rūpniecisko mērogu. Pirmkārt, pasaulei ir jāsaprot virziena vērtība, jāizvēlas lietiskā interneta ierīce, kurai nepieciešama aizsardzība, un efektīvi jāievieš kvantu komunikācija. Turklāt ir jāpārvar vairāki tehniski šķēršļi.
Šodien nav pilnībā skaidrs, kas tieši tajā atrodasLietu internets ir jāaizsargā tik augstā līmenī. Tomēr, izplatoties lietiskā interneta tehnoloģijai, pieaugs arī informācijas vērtība un tās uzlaušanas vērtība. Teorētiski uzlaušana var būt īpaši bīstama pilnībā automatizētā ražošanā. Tādējādi, ja sensori nosūtīs nepareizu informāciju lēmumu pieņemšanas centram, lēmumi tiks pieņemti nepareizi, un ekonomiskais kaitējums no šāda uzbrukuma var būt diezgan ievērojams.
Piecas nozares, kurās drīz tiks piemērota kvantu komunikācija
- Finanses.Bankas ir pirmās jauno tehnoloģiju ieviesējas.
- Sabiedriskais sektors.Šeit komunikācija ir saistīta ar lietotāju datiem, valdības sistēmām, vēlēšanām, tas ir, visām jomām, kurās ir svarīgs augsts aizsardzības līmenis.
- Telekomunikācijas.Attālās informācijas uzglabāšanas pakalpojumi (tiem svarīga arī laba aizsardzība). Glabāšanai paredzētos datus var šifrēt, izmantojot kvantu metodi.
- Medicīna.Pasaule vāc arvien vairāk ģenētisko datu,kas nosaka visu cilvēka dzīvi un tās pazīmes. Vairākās valstīs jau notiek process, lai daļai personas ģenētisko datu piešķirtu juridisku spēku, pielīdzinot tos pases datiem. Ir arī svarīgi viņus pasargāt no uzbrukumiem un manipulācijām.
- Enerģija.Ir svarīgi aizsargāt lielas infrastruktūras, automatizācijas sistēmu un enerģijas pārvades pārvaldību. Kriptogrāfija jau tiek izmantota daudzos punktos šādās sistēmās.
Kvantu sakari pasaulē un Krievijā
Kvantu sakari visā pasaulē ir kļuvuši par daļu nonacionālās programmas kvantu tehnoloģiju jomā. Speciālisti par pasaules līderi uzskata Ķīnu, taču komunikācija aktīvi attīstās arī Eiropas Savienībā. Japānas kompānija Toshiba uztur laboratoriju Kembridžā, vairāki projekti strādā Lielbritānijā un ASV (taču pēdējie joprojām vairāk orientēti uz kvantu skaitļošanu).
Kvantu sakaru sfēra Krievijā izskatāsinvestīcijas pievilcīgas. Krievijas kvantu kriptogrāfijas tehnoloģiskais līmenis mūsdienās ir salīdzināms ar globālo, un daži risinājumi atslēgu pēcapstrādei izskatās labāk nekā viņu pasaules kolēģi.
Tāpat kā jebkura diezgan jauna tehnoloģija,Kvantu komunikācijai ir zināmas grūtības ar plašu attīstību. Kamēr pasaulē nav precedenta ar jebkādas vērtīgas informācijas uzlaušanu vai zādzību, izmantojot kvantu datoru, kvantu šifrēšana vairāk izskatās pēc apdrošināšanas. Cilvēki nesaprot, vai tā potenciāls tiek pilnībā realizēts, kas savukārt apgrūtina investīciju piesaisti. Lai pierādītu potenciālu, jums ir nepieciešams vismaz viens uzlauzums. Turklāt, lai to atklātu, Krievijas tirgū trūkst tādu projektu kā ceļa karte; ierīču masveida ražošana un mēģinājumi tās uzlabot.
Ne visi uzņēmumi atklāti kopīgo datus par to, vaikādā attīstības stadijā ir viņu risinājumi. QRate ir gatavs produkts rūpnieciskai lietošanai, to pārbauda potenciālie klienti - piemēram, Gazprombank. Sber arī gadu pārbaudīja uzņēmuma sistēmas attiecībā uz kļūdu toleranci. Jaunuzņēmums izstrādā kvantu sakaru tehnoloģiju, koncentrējoties uz optisko šķiedru ieviešanu.
Būvniecība sākās 2020. gada decembrīmugurkaula kvantu tīkls Maskava - Sanktpēterburga pa Krievijas dzelzceļu. Šī ir līnija, kas sastāvēs no segmentiem 100-200 km attālumā. Tie ir nepieciešami, lai samazinātu signāla pārraides zudumus, atkārtotu signāla šifrēšanu mezglos. Tīklā tiek izmantoti klasiski uzticami mezgli, jo kvantu atkārtotāji vēl nav pietiekami attīstīti (vēl viena no lielajām zinātniskajām problēmām). Kopumā šis tīkls ir ekonomiski dzīvotspējīga projekta piemērs kvantu sakaru jomā ar lielu datu apjomu, kas cirkulē starp Maskavu un Sanktpēterburgu. Tīkls cita starpā palīdzēs aizsargāt sakaru kanālus, caur kuriem tiks kontrolēti bezpilota sapņi un bezdelīgas.
Lasīt vairāk:
Zemes rotācijas palēnināšanās izraisīja skābekļa izdalīšanos uz planētas
Astronomi dziļā kosmosā atklāj neparastas struktūras
Skatiet vairāk 60 000 gadu veco neandertāliešu klinšu mākslu