Hva er kvantekommunikasjon
Jeg foreslår at du starter med det grunnleggende og ser på selve uttrykket. Han har
Den mest utviklede retningen innen teknologien- kvantekryptografi, eller, mer presist, kvantnøkkelfordeling. Dette er et sett med metoder som tar sikte på å generere en delt hemmelig nøkkel mellom eksterne brukere, som deretter brukes til kryptering.
En annen oppgave med kvantekommunikasjon er overføringkvanteinformasjon mellom kvantedatamaskiner. Teknologier beveger seg jevnt mot utviklingen av distribuert kvantedatabehandling, det vil si opprettelsen av for eksempel en sentral kvantedatamaskin og mange perifere maskiner som løser noen deloppgaver og overfører data til hverandre. Et alternativ til dette kan være et sett med sammenkoblede eksterne kvanteprosessorer. I februar 2021 demonstrerte en gruppe forskere fra Tyskland muligheten for å overføre kvanteinformasjon mellom to modulære kvanteprosessorer. Resultatene av eksperimentet ble publisert i tidsskriftet Science. Dette er et viktig skritt i utviklingen av teknologi, som viste at det er mulig å øke kraften til kvantedatabehandlingsteknologier ved å kombinere flere enheter i et nettverk.
En interessant teknologisk funksjon erFaktum er at hvis vi i kvantedatamaskiner velger en plattform som er mest egnet for å løse visse problemer, så med utveksling av kvanteinformasjon er alt åpenbart: fotoner, det vil si lyspartikler, gjør den beste jobben. Det er praktisk talt ingen alternativer. Derfor er forskerne allerede klar over hva grunnstoffbasen vil være. Den eneste vanskeligheten er at kvanteinformasjon, som for eksempel oppstår som en del av driften av en superledende kvantedatamaskin, på en eller annen måte blir oversatt til et foton som kan overføres over lange avstander. Og konverter det igjen til skjemaet som er tilgjengelig for en kvantedatamaskin. Hvis kvantekryptografi er en tydelig teknologisk front som er på et meget høyt beredskapsstadium, så er feltet kvantekommunikasjon knyttet til utveksling av kvanteinformasjon mellom kvantedatamaskiner en stor oppgave som er på et ganske tidlig stadium.
Mens i kvanteberegning er det vanlig praksissnakker om kvantevolum - øke antall qubits og nøyaktigheten av operasjoner, i kvantekommunikasjon i en bred sammenheng er det ennå ikke en enkelt metrikk. I kvantekryptografi fokuserer forskere på hastigheten på nøkkelgenerering over hvilken som helst avstand. Oftest vurderes nøkkelgenerasjonshastigheten på 50 km, noe som lar deg sammenligne forskjellige enheter. Noen ganger studerer de også noen begrensende egenskaper, for eksempel maksimal avstand for å generere nøkler.
Jernbanekvanta
Det er flere områder rundt jernbanetransportsystemet hvor kvantekommunikasjon (inkludert kryptografi) kan være nyttig.
Først og fremst er dette en historie om fiberoptikkkabler. Fiberoptisk kabel er et av hovedverktøyene for overføring av kvanteinformasjon. I kvantekryptografi bruker vi den til å overføre fotoner som danner kryptografiske nøkler.
For det andre, selve jernbaneinfrastrukturen -et sett med komplekse tekniske objekter som må beskyttes. Ideelt sett, hvis vi hadde en kvantefordeling av nøkler langs jernbanelinjer, kunne vi bruke disse kvantetastene til å løse informasjonssikkerhetsproblemer som oppstår i jernbanenæringen.
Og til slutt mange jernbaneruter -ikke bare transport av mennesker, men også transport av en stor mengde forskjellige data. For eksempel Moskva - Petersburg, et av flaggskipsprosjektene til Russian Railways. Rutens verdi er åpenbar: det er et kolossalt antall databrukere i Moskva og ikke mindre i St. Petersburg. De utveksler en stor mengde meningsfull informasjon som må beskyttes, så ideen om å bruke kvantekryptografi er uten tvil økonomisk begrunnet.
Vanligvis implementering av kvantefordelingnøkler mellom to punkter A og B, som ligger i mer enn hundre kilometer avstand, utføres ved å legge til flere mellomliggende klarerte noder på ruten fra A til B. Et slikt nettverk kalles en "ryggrad" (på engelsk. ryggrad) - "Hi-tech"). En ringstruktur er også mulig i verden: Når en del av en ring mislykkes, kan informasjon sendes til en annen del av ringen. Med et stjernesystemdesign, sentralkontoret og det perifere arkitekturen fungerer de for en distribuert arkitektur. Det kan være lukkede og åpne strukturer, forgrenet, i likhet med Beijing-Shanghai-nettverket, dette er en slags "ryggrad" med et sett langdistanse-nettverk.
Kvant- og postkvantkryptografi
Ikke anta at kryptografi erutelukkende for selskaper i finans- eller banksektoren, det angår alle. Vi må alle utveksle data i kryptert form, fordi noe av informasjonen vi bruker faktisk er av høy verdi. For eksempel ønsker vi å kjøpe på Internett ved hjelp av et kredittkort. For å gjøre dette må vi på en eller annen måte overføre kredittkortopplysningene til banken, men slik at banken kan avskrive pengene, men angriperen ikke gjør det.
Kryptografiparadigmet er basert på at metodentransformasjon er kjent for angriperen. Det vil si at han vet hvordan vi krypterer, men han kjenner ikke den eneste hemmelige krypteringsparameteren - den kryptografiske nøkkelen. Dette betyr at for å implementere krypteringssyklusen, må vi på en eller annen måte utveksle en kryptografisk nøkkel med mottakeren av informasjonen.
Hvordan kan jeg overføre nøkler?For å løse dette problemet ble det brukt spesielle kurerer på statlig og selskapsnivå. Metoden er delvis implementert den dag i dag – for eksempel av diplomater. Ulempene med denne tilnærmingen er åpenbare: den er kompleks, ikke økonomisk gjennomførbar og er funksjonelt egnet bare for et svært lite antall operasjoner - du vil ikke kunne kjøpe en bok på Internett på denne måten.
Et sted på midten av 70- og 80-tallet en nykonseptet er offentlig nøkkel kryptografi. Tanken er at vi kan generere en kryptografisk nøkkel ved å implementere et sett med matematiske prosedyrer. Så vi, legitime brukere, trenger bare å utføre effektive matematiske operasjoner, som å multiplisere tall. Og for at angripere skal få tilgang til nøklene våre, må de implementere en kompleks operasjon – for eksempel å faktorisere tall i primfaktorer.
Dette konseptet fungerer fortsatt utmerket i dag, menPå et tidspunkt ble det klart at i det øyeblikket en tilstrekkelig kraftig kvantedatamaskin dukket opp, ville den nåværende generasjonen av algoritmer, bygget på problemer som å faktorisere tall til primfaktorer, slutte å være stabile. Nye metoder for å generere kryptografiske nøkler vil være nødvendig, siden det viktigste sårbare elementet i kryptografi med fremkomsten av en kvantedatamaskin vil være nøkkeldistribusjon og digitale signaturer.
Det er to grunnleggende nye tilnærminger tilløse problemet. Den første er kvantekryptografi, det vil si kvantnøkkelfordeling (som vi beskrev tidligere). Kvantekryptografi fungerer slik: Vi koder biter av informasjon til enkelt kvantetilstander av lys (foton) og overfører dem. Nivået på feil ved overføring kan umiddelbart bestemme graden av inntrenging av inntrengere. Hvis feilprosenten ikke overstiger en viss terskel, sier vi at vi kan forkorte nøklene våre på en spesiell måte slik at interceptorinformasjonen om de forkortede nøklene er ubetydelig. Denne prosedyren kalles "herding" og er nødvendig for å få de siste hemmelige nøklene.
Dermed løser vi distribusjonsproblemetkryptografiske nøkler hvis inntrengere har en kvantemaskin, siden kvantekryptografi ikke kan brytes med en kvantemaskin. Fordeler: Grunnleggende, fysikkbasert sikkerhet. Ulemper: begrensninger på avstand, kostnader og hastighet for nøkkelgenerering. Det er også viktig å merke seg at distribusjonssystemer for kvantenøkler er komplekse maskinvare- og programvaresystemer. Til tross for at sikkerheten til kvantegenererte nøkler er bevist på grunnlag av kvantemekanikkens aksiomer, er det alltid fare for sårbarheter i en bestemt fysisk implementering.
Andre tilnærming - Post -Quantum Cryptography - Ideaopprettelse av nye asymmetriske kryptografiske algoritmer, ikke bygd på problemene med å dekomponere tall til primfaktorer, men på andre komplekse matematiske problemer, i løsningen som en kvantecomputer ikke vil ha noen fordeler. For eksempel å søke etter en kollisjon av en hashfunksjon. Det viser seg at hvis vi bygger en signatur eller fordeling av nøkler på slike, som de sier, post-kvante primitiver, kan vi beskytte oss mot angrep ved hjelp av en kvantemaskin.
Postkvantekryptografi er tilstrekkelig i daggodt utviklet: kommersielle biblioteker, løsninger, produkter er allerede presentert. Nå går teknologien gjennom standardiseringsstadiet: både i Russland og i verden er det en prosess for å bestemme hvilke løsninger som skal standardiseres. Jeg tror at i horisonten av 2024 vil standardene være faste. Fordeler med teknologien: enkelhet og høy hastighet på integrasjon (siden vi snakker om programvare), regelmessige programvareoppdateringer. Allerede i dag brukes slike løsninger for å styrke beskyttelsen av verdifulle data til et bredt spekter av tjenester og applikasjoner for bedriftsbrukere og enkeltpersoner (nett-, mobil- og desktopapplikasjoner). Den største ulempen er at hemmeligholdet til post-kvantekryptografi fortsatt er basert på noen antakelser om vanskeligheten med å løse visse klasser av matematiske problemer. Det er alltid en viss hypotetisk sannsynlighet for at en "post-kvante" datamaskin vil dukke opp, som det vil være mulig å hacke post-kvante algoritmer med. I motsetning til kvantenøkkeldistribusjon. Det er ingen grunnleggende bevisbar styrke her - slike algoritmer fortsetter å bli studert fra synspunktet deres motstand.
Det er verdt å merke seg at disse to teknologiene kan væreveldig godt kombinert. Dermed kan høyt belastede dataoverføringskanaler mellom for eksempel datasentre til store selskaper beskyttes ved hjelp av kvantekryptografi. Og korrespondansen vår eller en banktransaksjon for tusen rubler gjøres ved hjelp av post-kvantekryptografi. Det vil si at kvante- og postkvantekryptografi ikke bør motarbeides, men produktivt tenke på dem som synergistiske teknologier. Det er bare det at den ene er mer fokusert på stabellaget knyttet til infrastrukturen, og det andre er relatert til brukeren.
Kvantekryptografistandarden er ogsåblir dannet. Standarden vil være en spesifikk protokoll, det vil si en spesifikk metode for hvilken kvantetilstand som må tas, hvordan man forbereder og måler den, og hva man skal gjøre med den videre. Så langt er det én kandidat for standarder - BB84-protokollen med villedende tilstander. Denne protokollen garanterer generering av hemmelig nøkkel. Men det kommer stadig nye protokoller.
Quantum blockchain og oppstart
De siste årene har det vært mye oppmerksomhetblockchain-teknologier - teknologier for å administrere distribuerte databaser. Blokkjeder bruker to viktige kryptografiske verktøy. Først elektroniske signaturer for å bekrefte forfatterskapet til transaksjoner som vi ønsker å sende til blokker. For det andre en rekke metoder for å oppnå konsensus. For eksempel er en av metodene, bevis på arbeid (på engelsk, proof-of-work - "High-Tech"), basert på kryptografiske hash-funksjoner.
Blockchain er sårbar mot en kvantedatamaskin ispesielt hvis elektroniske signaturer og konsensusmekanismer brukes, som ikke er motstandsdyktige mot kvantedataangrep. Det er imidlertid mulig å lage blokkkjeder som er motstandsdyktige mot slike angrep – kvantesikre (kvante) blokkkjeder. Kvanteblokkjede bruker enten kvante- eller postkvantekryptografi (eller en kombinasjon av dem) og lar signaturer og konsensus gjøres mer motstandsdyktige mot en kvantedatamaskin.
Avhengig av interesse fra russiske brukerevi kan forvente fremveksten av en kvanteblokkjede i landet i løpet av to til tre år. I utgangspunktet er det nødvendig å lage en infrastruktur for kvantekommunikasjonsnettverk, som et distribuert system vil bli opprettet i fremtiden.
Kvantekommunikasjon er den mest populæreretning for arbeidet til russiske oppstart. Flere divisjoner av store selskaper, leverandører av klassisk informasjonssikkerhet, opererer på markedet. Dette er oppstart basert på ITMO University, Quanttelecom, divisjoner av selskaper som spesialiserer seg på informasjonssikkerhet, InfoTeKS og Cryptosoft. QRate er en spin-off av Russian Quantum Center siden 2017. Oppstart er mer sannsynlig å jobbe med tilskudd og private investeringer. Ventureavtaler i Russland er fremdeles ukjent for meg.
Internet of Things og Quantum Security
Mange Internet of Things-enheter - sensorer -kan være både klassisk og kvante. La oss si at vi har et sett med klassiske sensorer, Internet of Things-enheter, kontrollgatewayer som har konfidensiell informasjon. For å koble dem sammen, trenger du en kryptografisk beskyttelsesprotokoll - igjen, kvantekommunikasjon.
I denne retningen, så langt er det bareprototyper som beskytter individuelle elementer eller enheter - det er for tidlig å snakke om industriell skala. For det første må verden forstå verdien av retningen, velge Internet of Things-enheten som trenger beskyttelse og effektivt implementere kvantekommunikasjon. I tillegg må en rekke tekniske barrierer overvinnes.
I dag er det ikke helt klart hva som er iTingenes internett må beskyttes på et så høyt nivå. Men ettersom tingenes internett-teknologi sprer seg, vil også verdien av informasjon og verdien av å hacke den. I teorien kan hacking være spesielt farlig i helautomatisert produksjon. Dermed, hvis sensorer overfører feil informasjon til beslutningssenteret, vil beslutninger bli tatt feil, og den økonomiske skaden fra et slikt angrep kan være ganske betydelig.
Fem bransjer der kvantekommunikasjon snart vil bli brukt
- Finansiere.Bankene er de første som bruker ny teknologi.
- Offentlig sektor.Her er kommunikasjon knyttet til brukerdata, myndighetssystemer, valg, det vil si alle områder hvor et høyt beskyttelsesnivå er viktig.
- Telekommunikasjon.Tjenester for fjernlagring av informasjon (god beskyttelse er også viktig for dem). Data for lagring kan krypteres ved hjelp av en kvantemetode.
- Medisin.Verden samler inn flere og flere genetiske data,som bestemmer hele livet til en person og dets egenskaper. I en rekke land er en prosess allerede i gang for å gi juridisk kraft til en del av en persons genetiske data, og likestille dem med passdata. Det er også viktig å beskytte dem mot angrep og manipulasjon.
- Energi.Det er viktig å beskytte forvaltningen av stor infrastruktur, automasjonssystemer og energioverføring. Kryptografi brukes allerede på mange punkter i slike systemer.
Kvantekommunikasjon i verden og i Russland
Kvantekommunikasjon rundt om i verden har blitt en del avnasjonale programmer om kvanteteknologi. Eksperter anser Kina for å være verdensledende, men kommunikasjon utvikler seg også aktivt i EU. Det japanske selskapet Toshiba har et laboratorium i Cambridge, flere prosjekter jobber i Storbritannia og i USA (men sistnevnte er fortsatt mer fokusert på kvanteberegning).
Sfæren for kvantekommunikasjon i Russland ser ut sominvestering attraktiv. Det teknologiske nivået for russisk kvantekryptografi i dag er sammenlignbart med det globale, og noen løsninger for etterbehandling av nøkler ser bedre ut enn sine motstykker i verden.
Som enhver ganske ung teknologi,Kvantekommunikasjon har visse vanskeligheter med utbredt utvikling. Inntil det er en presedens i verden med hacking eller tyveri av verdifull informasjon ved hjelp av en kvantedatamaskin, ser kvantekryptering mer ut som forsikring. Folk forstår ikke om potensialet blir fullt ut realisert, noe som igjen gjør det vanskelig å tiltrekke seg investeringer. For å bevise potensialet trenger du minst ett hack. Også, for å avsløre det, mangler det russiske markedet prosjekter som et veikart; masseproduksjon av enheter og forsøk på å forbedre dem.
Ikke alle selskaper åpent deler data omhvilket utviklingstrinn er løsningene deres. QRate har et ferdig produkt klar til industriell bruk, det testes av potensielle kunder - for eksempel Gazprombank. Sber testet også selskapets systemer for feiltoleranse i et år. Oppstarten utvikler kvantekommunikasjonsteknologi med fokus på fiberoptisk implementering.
Byggingen startet i desember 2020ryggradskvantennettverk Moskva - St. Petersburg av Russian Railways. Dette er en linje som vil bestå av segmenter i en avstand på 100-200 km. De er nødvendige for å redusere tap i signaloverføring, omkryptering av signalet ved nodene. Klassiske pålitelige noder i nettverket brukes fordi kvante -repeatere ennå ikke er tilstrekkelig utviklet (et annet av de store vitenskapelige problemene). Generelt er dette nettverket et eksempel på et økonomisk levedyktig prosjekt innen kvantekommunikasjon med en stor mengde data som sirkulerer mellom Moskva og St. Petersburg. Nettverket vil blant annet hjelpe til med å beskytte kommunikasjonskanalene som ubemannede Sapsans og Svaler skal kontrolleres gjennom.
Les mer:
Bremsingen av jordens rotasjon forårsaket frigjøring av oksygen på planeten
Astronomer oppdager uvanlige strukturer i dypt rom
Se mer 60.000 år gammel neandertalert rockekunst