O que é comunicação quântica
Sugiro começar com o básico e observar a frase em si. Ele tem
A direção mais desenvolvida dentro da tecnologia- criptografia quântica ou, mais precisamente, distribuição quântica de chaves. Este é um conjunto de métodos que visa gerar uma chave secreta compartilhada entre usuários remotos, que é então usada para criptografia.
Outra tarefa das comunicações quânticas é a transmissãoinformações quânticas entre computadores quânticos. As tecnologias avançam suavemente em direção ao desenvolvimento da computação quântica distribuída, ou seja, à criação, por exemplo, de um computador quântico central e de muitas máquinas periféricas que resolvem algumas subtarefas e transmitem dados entre si. Uma alternativa para isso poderia ser um conjunto de processadores quânticos remotos interconectados. Em fevereiro de 2021, um grupo de pesquisadores da Alemanha demonstrou a possibilidade de transferência de informação quântica entre dois processadores quânticos modulares. Os resultados do experimento foram publicados na revista Science. Este é um passo importante no desenvolvimento da tecnologia, que mostrou que é possível aumentar o poder das tecnologias de computação quântica combinando vários dispositivos em uma rede.
Uma característica tecnológica interessante éO fato é que se nos computadores quânticos escolhemos uma plataforma mais eficaz para resolver determinados problemas, então com a troca de informações quânticas tudo fica óbvio: os fótons, ou seja, as partículas de luz, fazem o melhor trabalho. Praticamente não há alternativas. Portanto, os pesquisadores já sabem qual será a base do elemento. A única dificuldade é que a informação quântica que surge, por exemplo, como parte da operação de um computador quântico supercondutor, é de alguma forma traduzida em um fóton que pode ser transmitido por longas distâncias. E então converta-o novamente para um formato acessível a um computador quântico. Se a criptografia quântica é uma frente tecnológica clara que está em um estágio muito elevado de prontidão, então o campo das comunicações quânticas associadas à troca de informações quânticas entre computadores quânticos é uma grande tarefa que está em um estágio bastante inicial.
Embora na computação quântica seja prática comumfalando em volume quântico - aumentando o número de qubits e a precisão das operações, nas comunicações quânticas em um contexto amplo ainda não existe uma única métrica. Na criptografia quântica, os cientistas se concentram na taxa de geração de chaves a qualquer distância. Na maioria das vezes, é considerada a velocidade de geração da chave de 50 km, o que permite comparar diferentes dispositivos. Às vezes também estudam algumas características limitantes, por exemplo, a distância máxima para geração de chaves.
Quanta ferroviária
Existem diversas áreas no sistema de transporte ferroviário onde as comunicações quânticas (incluindo a criptografia) podem ser úteis.
Em primeiro lugar, esta é uma história sobre fibra ópticacabos. O cabo de fibra óptica é uma das principais ferramentas para a transmissão de informações quânticas. Na criptografia quântica, nós a usamos para transmitir fótons que nos permitem formar chaves criptográficas.
Em segundo lugar, a própria infraestrutura ferroviária -um conjunto de objetos técnicos complexos que devem ser protegidos. Idealmente, se tivéssemos uma distribuição quântica de chaves ao longo das ferrovias, poderíamos usar essas chaves quânticas para resolver os problemas de segurança da informação que surgem na indústria ferroviária.
E, finalmente, muitas rotas ferroviárias -não apenas o transporte de pessoas, mas também o transporte de uma grande quantidade de dados diversos. Por exemplo, Moscou - Petersburgo, um dos principais projetos das ferrovias russas. O valor da rota é óbvio: há um número colossal de usuários de dados em Moscou e não menos em São Petersburgo. Eles trocam uma grande quantidade de informações significativas que precisam ser protegidas, portanto, a ideia de usar a criptografia quântica é, sem dúvida, economicamente justificada.
Normalmente, a implementação da distribuição quânticachaves entre dois pontos A e B, localizados a uma distância de mais de cem quilômetros, são realizadas adicionando nós intermediários confiáveis adicionais na rota de A a B. Essa rede é chamada de "backbone" (em inglês. backbone - "Hi-tech"). Uma estrutura em anel também é possível no mundo: quando uma parte do anel falha, as informações podem ser enviadas para outra parte do anel. Com um design de sistema em estrela, o escritório central e a arquitetura periférica funcionam - eles são adequados para uma arquitetura distribuída. Podem ser estruturas fechadas e abertas, ramificadas, como a rede Pequim-Xangai, esta é uma espécie de “backbone” com um conjunto de redes de longa distância.
Criptografia quântica e pós-quântica
Não assuma que a criptografia éexclusivamente para empresas do setor financeiro ou bancário, diz respeito a todos. Todos nós temos que trocar dados de forma criptografada, porque algumas das informações que usamos são, na verdade, de alto valor. Por exemplo, queremos fazer uma compra na Internet usando um cartão de crédito. Para fazer isso, precisamos transferir de alguma forma os detalhes do cartão de crédito para o banco, mas para que o banco possa dar baixa do dinheiro, mas o invasor não.
O paradigma da criptografia é baseado no fato de que o métodoa transformação é conhecida pelo atacante. Ou seja, ele sabe como criptografamos, mas não conhece o único parâmetro secreto de criptografia - a chave criptográfica. Isso significa que para implementar o ciclo de criptografia, precisamos de alguma forma trocar uma chave criptográfica com o destinatário da informação.
Como posso transferir chaves?Para resolver esse problema, foram utilizados correios especiais em nível estadual e empresarial. O método é parcialmente implementado até hoje – por exemplo, por diplomatas. As desvantagens desta abordagem são óbvias: é complexa, não é economicamente viável e é funcionalmente adequada apenas para um número muito pequeno de operações – desta forma não será possível comprar um livro na Internet.
Em algum momento em meados dos anos 70 e 80, um novoconceito é criptografia de chave pública. A ideia é que possamos gerar uma chave criptográfica implementando algum conjunto de procedimentos matemáticos. Assim, nós, usuários legítimos, precisaremos apenas realizar operações matemáticas eficientes, como multiplicar números. E para que os invasores tenham acesso às nossas chaves, eles precisarão implementar uma operação complexa - por exemplo, fatorar números em fatores primos.
Este conceito ainda funciona muito bem hoje, masEm algum momento, ficou claro que no momento em que surgisse um computador quântico suficientemente poderoso, a atual geração de algoritmos, construídos sobre problemas como a fatoração de números em fatores primos, deixaria de ser estável. Serão necessários novos meios de geração de chaves criptográficas, uma vez que o principal elemento vulnerável da criptografia com o advento de um computador quântico será a distribuição de chaves e as assinaturas digitais.
Existem duas abordagens fundamentalmente novas pararesolvendo o problema. A primeira é a criptografia quântica, que é a distribuição de chaves quânticas (que descrevemos anteriormente). A criptografia quântica funciona assim: codificamos bits de informação em estados quânticos únicos de luz (fóton) e os transmitimos. Pelo nível de erros na transmissão, você pode determinar imediatamente o grau de intrusão de intrusos. Se a taxa de erro não ultrapassar um certo limite, dizemos que podemos encurtar nossas chaves de uma maneira especial, de modo que as informações do interceptor sobre as chaves encurtadas sejam insignificantes. Esse procedimento é chamado de "proteção" e é necessário para obter as chaves secretas finais.
Assim, resolvemos o problema de distribuiçãochaves criptográficas se os intrusos tiverem um computador quântico, uma vez que a criptografia quântica não pode ser quebrada com um computador quântico. Benefícios: Segurança fundamental com base na física. Desvantagens: restrições à distância, custo e velocidade de geração de chaves. Também é importante observar que os sistemas de distribuição de chaves quânticas são sistemas complexos de hardware e software. Apesar do fato de que a segurança das chaves geradas por quantum é provada com base nos axiomas da mecânica quântica, há sempre o perigo de vulnerabilidades em uma implementação física específica.
Segunda abordagem - criptografia pós-quântica - ideiacriação de novos algoritmos criptográficos assimétricos, baseados não nos problemas de decomposição de números em fatores primos, mas em outros problemas matemáticos complexos, em cuja solução um computador quântico não terá vantagens. Por exemplo, pesquisar uma colisão de uma função hash. Acontece que, se construirmos uma assinatura ou distribuição de chaves em, como dizem, primitivas pós-quânticas, podemos nos proteger de ataques usando um computador quântico.
A criptografia pós-quântica é suficiente hojebem desenvolvido: bibliotecas comerciais, soluções, produtos já estão apresentados. Agora a tecnologia passa pela fase de padronização: tanto na Rússia quanto no mundo existe um processo de decisão sobre quais soluções serão padronizadas. Acho que no horizonte de 2024 os padrões estarão fixos. Vantagens da tecnologia: simplicidade e alta velocidade de integração (já que estamos falando de software), atualizações regulares de software. Já hoje, tais soluções são utilizadas para fortalecer a proteção de dados valiosos de uma ampla gama de serviços e aplicações de usuários corporativos e individuais (aplicações web, móveis e desktop). A principal desvantagem é que o sigilo da criptografia pós-quântica ainda se baseia em algumas suposições sobre a dificuldade de resolução de certas classes de problemas matemáticos. Sempre existe alguma probabilidade hipotética de que apareça um computador “pós-quântico”, com o qual será possível hackear algoritmos pós-quânticos. Ao contrário da distribuição quântica de chaves. Não há força fundamentalmente comprovável aqui - tais algoritmos continuam a ser estudados do ponto de vista de sua força.
Vale ressaltar que essas duas tecnologias podem sermuito bem combinado. Assim, canais de transmissão de dados de backbone altamente carregados entre, por exemplo, data centers de grandes empresas podem ser protegidos usando criptografia quântica. E nossa correspondência ou transação bancária de mil rublos é feita usando criptografia pós-quântica. Ou seja, não se deve opor a criptografia quântica e pós-quântica, mas considerá-las produtivamente como tecnologias sinérgicas. Só que um está mais focado na camada de pilha relacionada à infraestrutura, e o outro está relacionado ao usuário.
O padrão de criptografia quântica também éestá sendo formado. O padrão será um protocolo específico, ou seja, um método específico de qual estado quântico precisa ser obtido, como prepará-lo e medi-lo e o que fazer a seguir. Até agora existe um candidato a padrões - o protocolo BB84 com estados enganosos. Este protocolo garante a geração de chaves secretas. Mas novos protocolos aparecem constantemente.
Blockchain e startups quânticos
Nos últimos anos, muita atenção tem sido dadatecnologias blockchain - tecnologias para gerenciamento de bancos de dados distribuídos. Blockchains usam duas ferramentas criptográficas importantes. Primeiro, assinaturas eletrônicas para confirmar a autoria das transações que queremos enviar aos blocos. Em segundo lugar, uma variedade de métodos para alcançar o consenso. Por exemplo, um dos métodos, prova de trabalho (em inglês, prova de trabalho - “High-Tech”), é baseado em funções hash criptográficas.
Blockchain é vulnerável contra um computador quântico emparticularmente se forem utilizadas assinaturas electrónicas e mecanismos de consenso, que não são resistentes a ataques de computadores quânticos. No entanto, é possível criar blockchains que sejam resistentes a tais ataques – blockchains com segurança quântica (quântica). O blockchain quântico usa criptografia quântica ou pós-quântica (ou uma combinação delas) e permite que assinaturas e consenso se tornem mais resistentes a um computador quântico.
Sujeito ao interesse dos usuários russospodemos esperar o surgimento de uma blockchain quântica no país nos próximos dois a três anos. Inicialmente, é necessário criar uma infraestrutura de redes de comunicação quântica, na qual um sistema distribuído será criado no futuro.
A comunicação quântica é a mais populardireção para o trabalho de startups russas. Diversas divisões de grandes empresas, fornecedoras de segurança da informação clássica, atuam no mercado. São startups baseados na ITMO University, Quanttelecom, divisões de empresas especializadas em segurança da informação, InfoTeKS e Cryptosoft. QRate é um spin-off do Russian Quantum Center desde 2017. As startups têm mais probabilidade de trabalhar com doações e investimento privado. Negócios de risco na Rússia ainda são desconhecidos para mim.
Internet das Coisas e Segurança Quântica
Muitos dispositivos da Internet das Coisas - sensores -pode ser clássico e quântico. Digamos que temos um conjunto de sensores clássicos, dispositivos de Internet das Coisas, gateways de controle que possuem informações confidenciais. Para conectá-los, você precisa de um protocolo de proteção criptográfica – novamente, comunicações quânticas.
Nessa direção, até o momento existem apenasprotótipos que protegem elementos ou dispositivos individuais - é muito cedo para falar em escala industrial. Primeiro, o mundo precisa compreender o valor da direção, selecionar o dispositivo da Internet das Coisas que precisa de proteção e implementar efetivamente a comunicação quântica. Além disso, uma série de barreiras técnicas precisam ser superadas.
Hoje não está totalmente claro o que exatamente está emA Internet das Coisas precisa de ser protegida a um nível tão elevado. No entanto, à medida que a tecnologia da Internet das Coisas se espalha, também se espalha o valor da informação e o valor de hackeá-la. Em teoria, o hacking pode ser especialmente perigoso na produção totalmente automatizada. Assim, se os sensores transmitirem informações incorretas ao centro de tomada de decisão, as decisões serão tomadas incorretamente e os danos económicos decorrentes de tal ataque podem ser bastante significativos.
Cinco setores onde as comunicações quânticas serão aplicadas em breve
- Financiar.Os bancos são os primeiros a adotar novas tecnologias.
- Setor público.Aqui, as comunicações estão relacionadas com dados dos utilizadores, sistemas governamentais, eleições, ou seja, todas as áreas em que um elevado nível de proteção é importante.
- Telecomunicações.Serviços de armazenamento remoto de informações (uma boa proteção também é importante para eles). Os dados para armazenamento podem ser criptografados usando um método quântico.
- Medicamento.O mundo está coletando mais e mais dados genéticos,que determinam toda a vida de uma pessoa e suas características. Em vários países, já está em andamento um processo para dar força legal a uma parte dos dados genéticos de uma pessoa, equiparando-os aos dados do passaporte. Também é importante protegê-los de ataques e manipulação.
- Energia.É importante proteger a gestão de grandes infraestruturas, sistemas de automação e transmissão de energia. A criptografia já é usada em muitos pontos desses sistemas.
Comunicações quânticas no mundo e na Rússia
As comunicações quânticas em todo o mundo tornaram-se parte deprogramas nacionais sobre tecnologias quânticas. Os especialistas consideram a China o líder mundial, mas as comunicações também estão a desenvolver-se activamente na União Europeia. A empresa japonesa Toshiba mantém um laboratório em Cambridge, vários projetos estão funcionando no Reino Unido e nos EUA (mas estes últimos ainda mais voltados para a computação quântica).
A esfera das comunicações quânticas na Rússia pareceinvestimento atraente. O nível tecnológico da criptografia quântica russa hoje é comparável ao global, e algumas soluções para o pós-processamento de chaves parecem melhores do que suas contrapartes mundiais.
Como qualquer tecnologia relativamente jovem,As comunicações quânticas enfrentam certas dificuldades com o desenvolvimento generalizado. Até que haja um precedente no mundo de hacking ou roubo de qualquer informação valiosa usando um computador quântico, a criptografia quântica parece mais um seguro. As pessoas não compreendem se o seu potencial está a ser plenamente realizado, o que por sua vez torna difícil atrair investimento. Para provar o potencial, você precisa de pelo menos um hack. Além disso, para revelá-lo, o mercado russo carece de projetos como um roteiro; produção em massa de dispositivos e tentativas de melhorá-los.
Nem todas as empresas compartilham abertamente dados sobre seem que estágio de desenvolvimento estão suas soluções. QRate tem um produto acabado, pronto para uso industrial, clientes potenciais, por exemplo, Gazprombank, estão testando. Sber também testou os sistemas da empresa quanto à tolerância a falhas por um ano. A startup está desenvolvendo tecnologia de comunicação quântica com foco na implementação de fibra óptica.
A construção começou em dezembro de 2020a principal rede quântica Moscou - São Petersburgo pela Russian Railways. Esta é uma linha que consistirá em segmentos a uma distância de 100-200 km. Eles são necessários para reduzir as perdas na transmissão do sinal e recriptografar o sinal nos nós. Os nós confiáveis clássicos na rede são usados porque os repetidores quânticos ainda não estão suficientemente desenvolvidos (outro dos grandes problemas científicos). Em geral, essa rede é um exemplo de projeto economicamente viável no campo das comunicações quânticas, com uma grande quantidade de dados circulando entre Moscou e São Petersburgo. A rede ajudará, entre outras coisas, a proteger os canais de comunicação através dos quais os Sapsans e Andorinhas não tripulados serão controlados.
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