Czym jest komunikacja kwantowa
Sugeruję zacząć od podstaw i przyjrzeć się samej frazie. Ma
Najbardziej rozwinięty kierunek w technologii- kryptografia kwantowa, a dokładniej dystrybucja klucza kwantowego. Jest to zestaw metod mających na celu wygenerowanie wspólnego tajnego klucza między zdalnymi użytkownikami, który jest następnie używany do szyfrowania.
Kolejnym zadaniem komunikacji kwantowej jest transmisjainformacje kwantowe pomiędzy komputerami kwantowymi. Technologie płynnie zmierzają w kierunku rozwoju rozproszonego przetwarzania kwantowego, czyli stworzenia np. centralnego komputera kwantowego i wielu maszyn peryferyjnych, które rozwiązują pewne podzadania i przesyłają między sobą dane. Alternatywą dla tego mógłby być zestaw połączonych ze sobą zdalnych procesorów kwantowych. W lutym 2021 roku grupa badaczy z Niemiec zademonstrowała możliwość przesyłania informacji kwantowej pomiędzy dwoma modułowymi procesorami kwantowymi. Wyniki eksperymentu opublikowano w czasopiśmie Science. To ważny krok w rozwoju technologii, który pokazał, że możliwe jest zwiększenie mocy technologii obliczeń kwantowych poprzez połączenie kilku urządzeń w sieć.
Ciekawą cechą technologiczną jestFaktem jest, że jeśli w komputerach kwantowych wybierzemy platformę, która najskuteczniej nadaje się do rozwiązywania określonych problemów, to przy wymianie informacji kwantowej wszystko jest oczywiste: fotony, czyli cząstki światła, robią najlepszą robotę. Praktycznie nie ma alternatyw. Dlatego badacze mają już świadomość, jaka będzie baza pierwiastkowa. Jedyną trudnością jest to, że informacja kwantowa, która powstaje na przykład w wyniku działania nadprzewodzącego komputera kwantowego, jest w jakiś sposób przekładana na foton, który może być przesyłany na duże odległości. A następnie ponownie przekonwertować go do postaci dostępnej dla komputera kwantowego. Jeśli kryptografia kwantowa jest wyraźnym frontem technologicznym, który jest na bardzo wysokim etapie gotowości, to dziedzina komunikacji kwantowej związanej z wymianą informacji kwantowej pomiędzy komputerami kwantowymi jest dużym zadaniem, które jest na dość wczesnym etapie.
W obliczeniach kwantowych jest to powszechna praktykamówiąc o wolumenie kwantowym – zwiększaniu liczby kubitów i dokładności operacji, w komunikacji kwantowej w szerokim kontekście nie ma jeszcze ani jednej metryki. W kryptografii kwantowej naukowcy skupiają się na szybkości generowania klucza na dowolnej odległości. Najczęściej brana jest pod uwagę prędkość generowania klucza wynosząca 50 km, co pozwala na porównanie różnych urządzeń. Czasami badają również pewne cechy ograniczające, na przykład maksymalną odległość generowania kluczy.
Kwanty kolejowe
Istnieje kilka obszarów wokół systemu transportu kolejowego, w których komunikacja kwantowa (w tym kryptografia) może być użyteczna.
Przede wszystkim jest to opowieść o światłowodachkable. Kabel światłowodowy jest jednym z głównych narzędzi do przesyłania informacji kwantowej. W kryptografii kwantowej używamy go do przesyłania fotonów tworzących klucze kryptograficzne.
Po drugie, sama infrastruktura kolejowa -zbiór złożonych obiektów technicznych, które muszą być chronione. W idealnej sytuacji, gdybyśmy mieli kwantową dystrybucję kluczy wzdłuż linii kolejowych, moglibyśmy wykorzystać te klucze kwantowe do rozwiązywania problemów związanych z bezpieczeństwem informacji pojawiających się w branży kolejowej.
I wreszcie wiele tras kolejowych -nie tylko przewóz osób, ale także przewóz dużej ilości różnorodnych danych. Na przykład Moskwa – Petersburg, jeden ze sztandarowych projektów Kolei Rosyjskich. Wartość tej trasy jest oczywista: w Moskwie jest ogromna liczba użytkowników danych, a nie mniej w Petersburgu. Wymieniają się dużą ilością istotnych informacji, które wymagają ochrony, więc pomysł wykorzystania kryptografii kwantowej jest bez wątpienia uzasadniony ekonomicznie.
Zwykle implementacja dystrybucji kwantowejklucze między dwoma punktami A i B, znajdującymi się w odległości ponad stu kilometrów, są realizowane poprzez dodanie dodatkowych pośrednich zaufanych węzłów na trasie od A do B. Taka sieć nazywana jest „backbone” (po angielsku backbone). - "Zaawansowana technologia"). Na świecie możliwa jest również struktura pierścienia: gdy część pierścienia ulegnie awarii, informacja może zostać przesłana do innej części pierścienia. Dzięki gwiaździstej konstrukcji systemu działa centrala i architektura peryferyjna - nadają się do architektury rozproszonej. Mogą istnieć struktury zamknięte i otwarte, rozgałęzione, jak sieć Pekin-Szanghaj, jest to rodzaj „kręgosłupa” z zestawem sieci dalekobieżnych.
Kryptografia kwantowa i post-kwantowa
Nie zakładaj, że kryptografia jestwyłącznie dla firm z sektora finansowego lub bankowego, dotyczy wszystkich. Wszyscy musimy wymieniać dane w formie zaszyfrowanej, ponieważ niektóre informacje, których używamy, mają w rzeczywistości dużą wartość. Na przykład chcemy dokonać zakupu w Internecie za pomocą karty kredytowej. Aby to zrobić, musimy jakoś przekazać dane karty kredytowej do banku, ale tak, aby bank mógł odpisać pieniądze, ale atakujący nie.
Paradygmat kryptografii opiera się na fakcie, że metodatransformacja jest znana atakującemu. Oznacza to, że wie, jak szyfrujemy, ale nie zna jedynego tajnego parametru szyfrowania - klucza kryptograficznego. Oznacza to, że aby zrealizować cykl szyfrowania, musimy w jakiś sposób wymienić klucz kryptograficzny z odbiorcą informacji.
Jak mogę przenieść klucze?Aby rozwiązać ten problem, na poziomie państwa i firmy skorzystano ze specjalnych kurierów. Metoda ta jest częściowo stosowana do dziś – na przykład przez dyplomatów. Wady tego podejścia są oczywiste: jest skomplikowane, nieekonomiczne i funkcjonalnie odpowiednie tylko dla bardzo małej liczby operacji – w ten sposób nie kupisz książki w Internecie.
Gdzieś w połowie lat 70. i 80. pojawiła się nowośćkoncepcja to kryptografia klucza publicznego. Pomysł jest taki, że możemy wygenerować klucz kryptograficzny, wdrażając pewien zestaw procedur matematycznych. Zatem my, prawowici użytkownicy, będziemy musieli jedynie wykonywać wydajne operacje matematyczne, takie jak mnożenie liczb. Aby atakujący mogli uzyskać dostęp do naszych kluczy, będą musieli wykonać złożoną operację – na przykład rozłożyć liczby na czynniki pierwsze.
Ta koncepcja nadal świetnie się sprawdza, aleW pewnym momencie stało się jasne, że w momencie pojawienia się wystarczająco potężnego komputera kwantowego, obecna generacja algorytmów, zbudowana na problemach takich jak rozkładanie liczb na czynniki pierwsze, przestanie być stabilna. Potrzebne będą nowe sposoby generowania kluczy kryptograficznych, ponieważ głównym wrażliwym elementem kryptografii wraz z pojawieniem się komputera kwantowego będzie dystrybucja kluczy i podpisy cyfrowe.
Istnieją dwa zasadniczo nowe podejścia do:rozwiązanie problemu. Pierwszą z nich jest kryptografia kwantowa, czyli dystrybucja klucza kwantowego (którą opisaliśmy wcześniej). Kryptografia kwantowa działa w ten sposób: kodujemy bity informacji w pojedyncze stany kwantowe światła (foton) i przesyłamy je. Poziom błędów transmisji może od razu określić stopień wtargnięcia intruzów. Jeśli stopa błędu nie przekracza pewnego progu, mówimy, że możemy skrócić nasze klucze w specjalny sposób, aby informacje przechwytujące o skróconych kluczach były znikome. Ta procedura nazywana jest „hartowaniem” i jest wymagana do uzyskania końcowych tajnych kluczy.
W ten sposób rozwiązujemy problem dystrybucjiklucze kryptograficzne, jeśli intruzi mają komputer kwantowy, ponieważ kryptografii kwantowej nie można złamać za pomocą komputera kwantowego. Korzyści: Podstawowe, oparte na fizyce bezpieczeństwo. Wady: ograniczenia dotyczące odległości, kosztów i szybkości generowania kluczy. Należy również zauważyć, że systemy dystrybucji kluczy kwantowych to złożone systemy sprzętowe i programowe. Pomimo tego, że bezpieczeństwo kluczy generowanych kwantowo jest udowadniane na podstawie aksjomatów mechaniki kwantowej, zawsze istnieje niebezpieczeństwo wystąpienia podatności w konkretnej implementacji fizycznej.
Drugie podejście - kryptografia post-kwantowa - ideastworzenie nowych asymetrycznych algorytmów kryptograficznych, zbudowanych nie na problemach rozkładu liczb na czynniki pierwsze, ale na innych złożonych problemach matematycznych, w rozwiązaniu których komputer kwantowy nie będzie miał żadnych zalet. Na przykład wyszukiwanie kolizji funkcji skrótu. Okazuje się, że jeśli zbudujemy sygnaturę lub dystrybucję kluczy na takich, jak mówią, post-kwantowych prymitywach, możemy uchronić się przed atakami przy użyciu komputera kwantowego.
Dziś wystarczy kryptografia postkwantowadobrze rozwinięte: biblioteki komercyjne, rozwiązania, produkty są już zaprezentowane. Obecnie technologia przechodzi etap standaryzacji: zarówno w Rosji, jak i na świecie trwa proces podejmowania decyzji, które rozwiązania zostaną ujednolicone. Myślę, że w horyzoncie 2024 standardy zostaną ustalone. Zalety technologii: prostota i duża szybkość integracji (ponieważ mówimy o oprogramowaniu), regularne aktualizacje oprogramowania. Już dziś tego typu rozwiązania służą wzmocnieniu ochrony cennych danych szerokiego zakresu usług i aplikacji użytkowników korporacyjnych oraz osób prywatnych (aplikacje webowe, mobilne i desktopowe). Główną wadą jest to, że tajemnica kryptografii postkwantowej w dalszym ciągu opiera się na pewnych założeniach dotyczących trudności rozwiązania pewnych klas problemów matematycznych. Zawsze istnieje jakieś hipotetyczne prawdopodobieństwo, że pojawi się komputer „postkwantowy”, za pomocą którego będzie można zhakować algorytmy postkwantowe. W przeciwieństwie do dystrybucji klucza kwantowego. Nie ma tu zasadniczo możliwej do udowodnienia siły - takie algorytmy są nadal badane pod kątem ich siły.
Warto zauważyć, że te dwie technologie mogą byćbardzo dobrze połączone. Dzięki temu mocno obciążone szkieletowe kanały transmisji danych pomiędzy na przykład centrami danych dużych firm można chronić za pomocą kryptografii kwantowej. A nasza korespondencja lub transakcja bankowa na tysiąc rubli odbywa się za pomocą kryptografii postkwantowej. Oznacza to, że nie należy się przeciwstawiać kryptografii kwantowej i postkwantowej, lecz produktywnie myśleć o nich jako o technologiach synergicznych. Tyle, że jeden jest bardziej skupiony na warstwie stosu związanej z infrastrukturą, a drugi jest związany z użytkownikiem.
Standard kryptografii kwantowej również jestsię tworzy. Standardem będzie konkretny protokół, czyli konkretna metoda tego, jaki stan kwantowy należy zmierzyć, jak go przygotować, zmierzyć i co z nim dalej zrobić. Na razie jest jeden kandydat na standardy – protokół BB84 ze stanami zwodniczymi. Protokół ten gwarantuje generowanie tajnego klucza. Ale nowe protokoły pojawiają się stale.
Kwantowy blockchain i startupy
W ostatnich latach poświęcono temu wiele uwagitechnologie blockchain - technologie zarządzania rozproszonymi bazami danych. Blockchainy wykorzystują dwa ważne narzędzia kryptograficzne. Po pierwsze, podpisy elektroniczne potwierdzające autorstwo transakcji, które chcemy przesłać do bloków. Po drugie, różnorodne metody osiągania konsensusu. Na przykład jedna z metod, proof of work (w języku angielskim, proof of work - „High-Tech”), opiera się na kryptograficznych funkcjach skrótu.
Blockchain jest podatny na ataki komputerów kwantowychszczególnie w przypadku stosowania podpisów elektronicznych i mechanizmów konsensusu, które nie są odporne na ataki komputerów kwantowych. Możliwe jest jednak tworzenie łańcuchów bloków odpornych na takie ataki – łańcuchów bloków bezpiecznych kwantowo (kwantowych). Kwantowy łańcuch bloków wykorzystuje kryptografię kwantową lub postkwantową (lub ich kombinację) i umożliwia zwiększenie odporności podpisów i konsensusu na komputer kwantowy.
Z zastrzeżeniem zainteresowania rosyjskich użytkownikówmożemy spodziewać się pojawienia się kwantowego łańcucha bloków w kraju w ciągu najbliższych dwóch do trzech lat. Początkowo konieczne jest stworzenie infrastruktury kwantowych sieci komunikacyjnych, na których w przyszłości powstanie system rozproszony.
Najpopularniejsza jest komunikacja kwantowakierunek pracy rosyjskich startupów. Na rynku działa kilka oddziałów dużych firm, dostawców klasycznego bezpieczeństwa informacji. Są to startupy oparte na ITMO University, Quanttelecom, oddziałach firm specjalizujących się w bezpieczeństwie informacji, InfoTeKS i Cryptosoft. QRate jest spin-offem Rosyjskiego Centrum Kwantowego od 2017 roku. Startupy są bardziej skłonne do pracy z dotacjami i prywatnymi inwestycjami. Transakcje venture w Rosji są wciąż dla mnie nieznane.
Internet rzeczy i bezpieczeństwo kwantowe
Wiele urządzeń Internetu rzeczy – czujników –może być zarówno klasyczny, jak i kwantowy. Załóżmy, że mamy zestaw klasycznych czujników, urządzeń Internetu rzeczy, bramek kontrolnych, które zawierają poufne informacje. Aby je połączyć, potrzebny jest protokół ochrony kryptograficznej – znowu komunikacja kwantowa.
W tym kierunku na razie są tylkoprototypy zabezpieczające poszczególne elementy czy urządzenia – jest za wcześnie, aby mówić o skali przemysłowej. Najpierw świat musi zrozumieć wartość kierunku, wybrać urządzenie Internetu Rzeczy, które wymaga ochrony i skutecznie wdrożyć komunikację kwantową. Ponadto należy pokonać szereg barier technicznych.
Dziś nie do końca wiadomo, o co dokładnie chodziInternet rzeczy wymaga ochrony na tak wysokim poziomie. Jednak w miarę rozprzestrzeniania się technologii Internetu rzeczy wzrastać będzie także wartość informacji i wartość ich hakowania. Teoretycznie hakowanie może być szczególnie niebezpieczne w całkowicie zautomatyzowanej produkcji. Zatem jeśli czujniki przekażą nieprawidłowe informacje do centrum decyzyjnego, decyzje zostaną podjęte błędnie, a straty ekonomiczne wynikające z takiego ataku mogą być dość znaczne.
Pięć branż, w których komunikacja kwantowa zostanie wkrótce zastosowana
- Finanse.Banki są pierwszymi odbiorcami nowych technologii.
- Sektor publiczny.Tutaj komunikacja dotyczy danych użytkowników, systemów rządowych, wyborów, czyli wszystkich obszarów, w których ważny jest wysoki poziom ochrony.
- Telekomunikacja.Usługi zdalnego przechowywania informacji (dla nich ważna jest także dobra ochrona). Dane do przechowywania można szyfrować metodą kwantową.
- Medycyna.Świat gromadzi coraz więcej danych genetycznych,które determinują całe życie człowieka i jego cechy. W wielu krajach trwa już proces nadania mocy prawnej części danych genetycznych osoby, utożsamiając je z danymi paszportowymi. Ważne jest również, aby chronić je przed atakami i manipulacją.
- Energia.Ważne jest, aby chronić zarządzanie dużą infrastrukturą, systemami automatyki i przesyłem energii. Kryptografia jest już stosowana w wielu miejscach takich systemów.
Komunikacja kwantowa na świecie i w Rosji
Komunikacja kwantowa na całym świecie stała się częściąprogramy krajowe dotyczące technologii kwantowych. Eksperci uważają Chiny za światowego lidera, ale komunikacja aktywnie rozwija się także w Unii Europejskiej. Japońska firma Toshiba ma laboratorium w Cambridge, kilka projektów pracuje w Wielkiej Brytanii i USA (ale te ostatnie nadal bardziej skupiają się na obliczeniach kwantowych).
Jak wygląda sfera komunikacji kwantowej w Rosjiinwestycyjna atrakcyjna. Poziom technologiczny rosyjskiej kryptografii kwantowej jest dziś porównywalny z globalnym, a niektóre rozwiązania do post-processingu kluczy wyglądają lepiej niż ich światowe odpowiedniki.
Jak każda dość młoda technologia,Komunikacja kwantowa napotyka pewne trudności w związku z powszechnym rozwojem. Dopóki nie będzie precedensu na świecie związanego z włamaniami lub kradzieżą jakichkolwiek cennych informacji przy użyciu komputera kwantowego, szyfrowanie kwantowe bardziej przypomina ubezpieczenie. Ludzie nie rozumieją, czy jego potencjał jest w pełni wykorzystywany, co z kolei utrudnia przyciąganie inwestycji. Aby udowodnić potencjał, potrzebujesz przynajmniej jednego hacka. Poza tym, żeby to ujawnić, na rynku rosyjskim brakuje projektów takich jak mapa drogowa; masową produkcję urządzeń i próby ich udoskonalania.
Nie wszystkie firmy otwarcie udostępniają dane na temat tego, czyna jakim etapie rozwoju są ich rozwiązania. QRate ma gotowy produkt gotowy do użytku przemysłowego, jest testowany przez potencjalnych klientów – np. Gazprombank. Sber przez rok testował również systemy firmy pod kątem odporności na awarie. Startup rozwija technologię komunikacji kwantowej, koncentrując się na implementacji światłowodów.
Budowa rozpoczęła się w grudniu 2020 r.Szkieletowa sieć kwantowa Moskwa - Sankt Petersburg przez Koleje Rosyjskie. To linia, która będzie składać się z odcinków w odległości 100-200 km. Są potrzebne do zmniejszenia strat w transmisji sygnału, ponownego szyfrowania sygnału w węzłach. Używane są klasyczne zaufane węzły w sieci, ponieważ wzmacniacze kwantowe nie są jeszcze wystarczająco rozwinięte (kolejny z wielkich problemów naukowych). Ogólnie rzecz biorąc, sieć ta jest przykładem opłacalnego ekonomicznie projektu w dziedzinie komunikacji kwantowej z dużą ilością danych krążących między Moskwą a Petersburgiem. Sieć pomoże m.in. w ochronie kanałów komunikacyjnych, za pośrednictwem których będą kontrolowane bezzałogowe Sapsany i Jaskółki.
Czytaj więcej:
Spowolnienie obrotu Ziemi spowodowało uwolnienie tlenu na planecie
Astronomowie dostrzegają niezwykłe struktury w kosmosie
Zobacz więcej 60 000-letniej sztuki naskalnej neandertalskiej