Wat is kwantumcommunicatie?
Предлагаю начать с азов и взглянуть на само словосочетание. В нем есть
De meest ontwikkelde richting binnen de technologie- kwantumcryptografie, of beter gezegd, kwantumsleuteldistributie. Dit is een reeks methoden die gericht zijn op het genereren van een gedeelde geheime sleutel tussen externe gebruikers, die vervolgens wordt gebruikt voor codering.
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.
Spoorwegquanta
Вокруг железнодорожной транспортной системы существует несколько областей, в которых квантовые коммуникации (и криптография в том числе) могут быть полезны.
Allereerst is dit een verhaal over glasvezelkabels. Glasvezelkabel is een van de belangrijkste hulpmiddelen voor het verzenden van kwantuminformatie. In kwantumcryptografie gebruiken we het om fotonen te verzenden die cryptografische sleutels vormen.
Ten tweede, de spoorweginfrastructuur zelf -een reeks complexe technische objecten die moeten worden beschermd. Idealiter, als we een kwantumdistributie van sleutels langs spoorlijnen zouden hebben, zouden we deze kwantumsleutels kunnen gebruiken om informatiebeveiligingsproblemen op te lossen die zich voordoen in de spoorwegindustrie.
En tot slot veel spoorlijnen -niet alleen het vervoer van mensen, maar ook het vervoer van een grote hoeveelheid verschillende data. Bijvoorbeeld Moskou - Petersburg, een van de vlaggenschipprojecten van de Russische Spoorwegen. De waarde van de route is duidelijk: er is een kolossaal aantal datagebruikers in Moskou en niet minder in St. Petersburg. Ze wisselen een grote hoeveelheid zinvolle informatie uit die beschermd moet worden, dus het idee om kwantumcryptografie te gebruiken is zonder twijfel economisch verantwoord.
Meestal de implementatie van kwantumdistributiesleutels tussen twee punten A en B, gelegen op een afstand van meer dan honderd kilometer, wordt uitgevoerd door extra tussenliggende vertrouwde knooppunten toe te voegen op de route van A naar B. Zo'n netwerk wordt een "backbone" genoemd (in het Engels. backbone - "Hi-tech"). Een ringstructuur is ook mogelijk in de wereld: als een deel van een ring faalt, kan er informatie naar een ander deel van de ring worden gestuurd. Met een stersysteemontwerp, het centrale kantoor en het perifere architectuurwerk - ze zijn geschikt voor een gedistribueerde architectuur. Er kunnen gesloten en open structuren zijn, vertakt, zoals het Beijing-Shanghai-netwerk, dit is een soort "ruggengraat" met een reeks langeafstandsnetwerken.
Kwantum- en post-kwantumcryptografie
Ga er niet vanuit dat cryptografie isexclusief voor bedrijven in de financiële of bancaire sector, het gaat iedereen aan. We moeten allemaal gegevens versleuteld uitwisselen, omdat een deel van de informatie die we gebruiken van grote waarde is. We willen bijvoorbeeld een aankoop doen op internet met een creditcard. Om dit te doen, moeten we op de een of andere manier de creditcardgegevens overdragen aan de bank, maar zodat de bank het geld kan afschrijven, maar de aanvaller niet.
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.
Er zijn twee fundamenteel nieuwe benaderingen van:het oplossen van het probleem. De eerste is kwantumcryptografie, wat de distributie van kwantumsleutels is (die we eerder hebben beschreven). Kwantumcryptografie werkt als volgt: we coderen stukjes informatie in enkele kwantumtoestanden van licht (foton) en verzenden ze. Het niveau van fouten in de overdracht kan onmiddellijk de mate van inbraak van indringers bepalen. Als het foutenpercentage een bepaalde drempel niet overschrijdt, zeggen we dat we onze sleutels op een speciale manier kunnen inkorten, zodat de interceptor-informatie over de verkorte sleutels verwaarloosbaar is. Deze procedure wordt "verharding" genoemd en is vereist om de laatste geheime sleutels te verkrijgen.
Zo lossen we het distributieprobleem op:cryptografische sleutels als indringers een kwantumcomputer hebben, aangezien kwantumcryptografie niet kan worden verbroken met een kwantumcomputer. Voordelen: Fundamentele, op fysica gebaseerde beveiliging. Nadelen: beperkingen op afstand, kosten en snelheid van sleutelgeneratie. Het is ook belangrijk op te merken dat kwantumsleuteldistributiesystemen complexe hardware- en softwaresystemen zijn. Ondanks dat de veiligheid van door kwantum gegenereerde sleutels is bewezen op basis van de axioma's van de kwantummechanica, bestaat er altijd het gevaar van kwetsbaarheden in een specifieke fysieke implementatie.
Tweede benadering - Post-kwantumcryptografie - Ideecreatie van nieuwe asymmetrische cryptografische algoritmen, niet gebaseerd op de problemen van het ontbinden van getallen in priemfactoren, maar op andere complexe wiskundige problemen, bij de oplossing waarvan een kwantumcomputer geen voordelen zal hebben. Bijvoorbeeld zoeken naar een botsing van een hashfunctie. Het blijkt dat als we een handtekening of distributie van sleutels bouwen op, zoals ze zeggen, post-kwantumprimitieven, we onszelf kunnen beschermen tegen aanvallen met behulp van een kwantumcomputer.
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.
Quantum blockchain en startups
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.
Onder voorbehoud van de interesse van Russische gebruikerswe kunnen in de toekomst twee tot drie jaar de opkomst van een kwantumblockchain in het land verwachten. In eerste instantie is het nodig om een infrastructuur van kwantumcommunicatienetwerken te creëren, waarop in de toekomst een gedistribueerd systeem zal worden gecreëerd.
Quantumcommunicatie is het populairstrichting voor het werk van Russische startups. Verschillende divisies van grote bedrijven, leveranciers van klassieke informatiebeveiliging, opereren op de markt. Dit zijn startups op basis van ITMO University, Quanttelecom, divisies van bedrijven die gespecialiseerd zijn in informatiebeveiliging, InfoTeKS en Cryptosoft. QRate is sinds 2017 een spin-off van het Russische Quantum Center. Startups werken vaker met subsidies en particuliere investeringen. Venture deals in Rusland zijn mij nog onbekend.
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.
Vijf industrieën waar kwantumcommunicatie binnenkort zal worden toegepast
- 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. В мире собирают все больше генетических данных, die het hele leven van een persoon en zijn kenmerken bepalen. In een aantal landen is al een proces gaande om een deel van de genetische gegevens van een persoon rechtskracht te geven en deze gelijk te stellen aan paspoortgegevens. Het is ook belangrijk om ze te beschermen tegen aanvallen en manipulatie.
- Энергетика. Важно защищать управление крупной инфраструктурой, системы автоматизации, передачи энергии. Уже сейчас во многих точках таких систем используется криптография.
Quantumcommunicatie in de wereld en in Rusland
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).
De sfeer van kwantumcommunicatie in Rusland ziet eruit als:investering aantrekkelijk. Het technologische niveau van de Russische kwantumcryptografie is tegenwoordig vergelijkbaar met het mondiale, en sommige oplossingen voor de nabewerking van sleutels zien er beter uit dan hun tegenhangers in de wereld.
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.
Niet alle bedrijven delen openlijk gegevens over ofin welk ontwikkelingsstadium zijn hun oplossingen. QRate heeft een afgewerkt product klaar voor industrieel gebruik, het wordt getest door potentiële klanten - bijvoorbeeld Gazprombank. Sber heeft ook een jaar lang de systemen van het bedrijf getest op fouttolerantie. De startup ontwikkelt kwantumcommunicatietechnologie met een focus op glasvezelimplementatie.
De bouw is gestart in december 2020het belangrijkste kwantumnetwerk Moskou - St. Petersburg door de Russische Spoorwegen. Dit is een lijn die zal bestaan uit segmenten op een afstand van 100-200 km. Ze zijn nodig om verliezen in signaaloverdracht te verminderen, hercodering van het signaal op de knooppunten. Klassieke vertrouwde nodes in het netwerk worden gebruikt omdat kwantumrepeaters nog niet voldoende ontwikkeld zijn (nog een van de grote wetenschappelijke problemen). Over het algemeen is dit netwerk een voorbeeld van een economisch levensvatbaar project op het gebied van kwantumcommunicatie met een grote hoeveelheid data die tussen Moskou en St. Petersburg circuleert. Het netwerk zal onder meer helpen bij het beschermen van de communicatiekanalen via welke onbemande Sapsans en Swallows zullen worden gecontroleerd.
Lees verder:
De vertraging van de rotatie van de aarde veroorzaakte het vrijkomen van zuurstof op de planeet
Astronomen ontdekken ongewone structuren in de verre ruimte
Bekijk meer 60.000 jaar oude Neanderthaler-rotstekeningen