Ce este comunicarea cuantică
Vă sugerez să începeți cu elementele de bază și să vă uitați la fraza în sine. El are
Cea mai dezvoltată direcție din cadrul tehnologiei- criptografia cuantică sau, mai exact, distribuția cuantelor cheie. Acesta este un set de metode care vizează generarea unei chei secrete partajate între utilizatori la distanță, care este apoi utilizată pentru criptare.
O altă sarcină a comunicațiilor cuantice este transmisiainformații cuantice între calculatoarele cuantice. Tehnologiile se îndreaptă fără probleme către dezvoltarea calculului cuantic distribuit, adică crearea, de exemplu, a unui computer cuantic central și a multor mașini periferice care rezolvă anumite sarcini secundare și își transmit date unul altuia. O alternativă la aceasta ar putea fi un set de procesoare cuantice la distanță interconectate. În februarie 2021, un grup de cercetători din Germania a demonstrat posibilitatea de a transfera informații cuantice între două procesoare cuantice modulare. Rezultatele experimentului au fost publicate în revista Science. Acesta este un pas important în dezvoltarea tehnologiei, care a arătat că este posibilă creșterea puterii tehnologiilor de calcul cuantic prin combinarea mai multor dispozitive într-o rețea.
O caracteristică tehnologică interesantă esteCert este că, dacă în computerele cuantice alegem o platformă care este cel mai eficient potrivită pentru rezolvarea anumitor probleme, atunci cu schimbul de informații cuantice totul este evident: fotonii, adică particulele de lumină, fac cea mai bună treabă. Practic nu există alternative. Prin urmare, cercetătorii sunt deja conștienți de care va fi baza elementului. Singura dificultate este că informația cuantică, care apare, de exemplu, ca parte a funcționării unui computer cuantic supraconductor, este oarecum tradusă într-un foton care poate fi transmis pe distanțe mari. Și apoi convertiți-l din nou în forma care este accesibilă unui computer cuantic. Dacă criptografia cuantică este un front tehnologic clar care se află într-un stadiu foarte înalt de pregătire, atunci domeniul comunicațiilor cuantice asociate cu schimbul de informații cuantice între calculatoarele cuantice este o sarcină mare care se află într-un stadiu destul de timpuriu.
În timp ce în calculul cuantic, este o practică obișnuităvorbind despre volum cuantic - creșterea numărului de qubiți și a preciziei operațiilor, în comunicațiile cuantice într-un context larg nu există încă o singură metrică. În criptografia cuantică, oamenii de știință se concentrează pe rata de generare a cheilor pe orice distanță. Cel mai adesea, este luată în considerare viteza de generare a cheii de 50 km, ceea ce vă permite să comparați diferite dispozitive. Uneori studiază și unele caracteristici limitative, de exemplu, distanța maximă pentru generarea cheilor.
Cuantele feroviare
Există mai multe zone în jurul sistemului de transport feroviar în care comunicațiile cuantice (inclusiv criptografia) ar putea fi utile.
În primul rând, aceasta este o poveste despre fibra opticăcabluri. Cablul cu fibră optică este unul dintre principalele instrumente pentru transmiterea informațiilor cuantice. În criptografia cuantică, o folosim pentru a transmite fotoni care formează chei criptografice.
În al doilea rând, infrastructura feroviară în sine -un set de obiecte tehnice complexe care trebuie protejate. În mod ideal, dacă am avea o distribuție cuantică a cheilor de-a lungul liniilor ferate, am putea folosi aceste chei cuantice pentru a rezolva problemele de securitate a informațiilor apărute în industria feroviară.
Și, în cele din urmă, multe rute feroviare -nu numai transportul de persoane, ci și transportul unei cantități mari de date variate. De exemplu, Moscova - Petersburg, unul dintre proiectele emblematice ale Căilor Ferate Ruse. Valoarea rutei este evidentă: există un număr colosal de utilizatori de date la Moscova și nu mai puțin la Sankt Petersburg. Aceștia schimbă o cantitate mare de informații semnificative care trebuie protejate, astfel încât ideea utilizării criptografiei cuantice este fără îndoială justificată economic.
De obicei, implementarea distribuției cuanticetastele între două puncte A și B, situate la o distanță mai mare de o sută de kilometri, se efectuează prin adăugarea unor noduri intermediare de încredere suplimentare pe ruta de la A la B. O astfel de rețea se numește „backbone” (în engleză. backbone - "Înaltă tehnologie"). O structură de inel este posibilă și în lume: atunci când o parte a inelului eșuează, informațiile pot fi trimise către o altă parte a inelului. Cu un design de sistem stelar, biroul central și arhitectura periferică funcționează - sunt potrivite pentru o arhitectură distribuită. Pot exista structuri închise și deschise, ramificate, ca rețeaua Beijing-Shanghai, acesta este un fel de „coloană vertebrală” cu un set de rețele pe distanțe lungi.
Criptografie cuantică și post-cuantică
Nu presupuneți că criptografia esteexclusiv pentru companii din sectorul financiar sau bancar, privește pe toată lumea. Cu toții trebuie să facem schimb de date în formă criptată, deoarece unele dintre informațiile pe care le folosim sunt de fapt de mare valoare. De exemplu, vrem să facem o achiziție pe Internet folosind un card de credit. Pentru a face acest lucru, trebuie să transferăm cumva datele cardului de credit către bancă, dar pentru ca banca să poată anula banii, dar atacatorul nu.
Paradigma criptografiei se bazează pe faptul că metodatransformarea este cunoscută de atacator. Adică știe cum criptăm, dar nu cunoaște singurul parametru secret de criptare - cheia criptografică. Aceasta înseamnă că, pentru a implementa ciclul de criptare, trebuie să schimbăm cumva o cheie criptografică cu destinatarul informațiilor.
Cum pot transfera cheile?Pentru rezolvarea acestei probleme s-au folosit curieri speciali la nivel de stat si de companie. Metoda este parțial implementată până astăzi - de exemplu, de către diplomați. Dezavantajele acestei abordări sunt evidente: este complexă, nu este fezabilă din punct de vedere economic și este potrivită din punct de vedere funcțional doar pentru un număr foarte mic de operațiuni - nu veți putea cumpăra o carte de pe Internet în acest fel.
Undeva la mijlocul anilor '70 și '80 un nouconceptul este criptografia cu cheie publică. Ideea este că putem genera o cheie criptografică prin implementarea unui set de proceduri matematice. Deci, noi, utilizatorii legitimi, va trebui doar să efectuăm operații matematice eficiente, cum ar fi înmulțirea numerelor. Și pentru ca atacatorii să aibă acces la cheile noastre, vor trebui să implementeze o operațiune complexă - de exemplu, factorizarea numerelor în factori primi.
Acest concept funcționează grozav și astăzi, darLa un moment dat, a devenit clar că în momentul în care va apărea un computer cuantic suficient de puternic, generația actuală de algoritmi, construită pe probleme precum factorizarea numerelor în factori primi, va înceta să fie stabilă. Vor fi necesare noi mijloace de generare a cheilor criptografice, deoarece principalul element vulnerabil al criptografiei odată cu apariția unui computer cuantic va fi distribuția cheilor și semnăturile digitale.
Există două abordări fundamental noirezolvarea problemei. Prima este criptografia cuantică, adică distribuția cuantică a cheilor (pe care am descris-o mai devreme). Criptografia cuantică funcționează astfel: codificăm biți de informații în stări cuantice unice de lumină (foton) și le transmitem. După nivelul de erori în transmisie, puteți determina imediat gradul de intruziune al intrușilor. Dacă rata de eroare nu depășește un anumit prag, spunem că ne putem scurta tastele într-un mod special, astfel încât informațiile interceptorului despre tastele scurtate să fie neglijabile. Această procedură se numește „întărire” și este necesară pentru a obține cheile secrete finale.
Astfel, rezolvăm problema distribuțieichei criptografice dacă intrușii au un computer cuantic, deoarece criptografia cuantică nu poate fi spartă cu un computer cuantic. Beneficii: Securitate fundamentală, bazată pe fizică. Dezavantaje: restricții privind distanța, costul și viteza de generare a cheilor. De asemenea, este important să rețineți că sistemele de distribuție cu cheie cuantică sunt sisteme hardware și software complexe. În ciuda faptului că securitatea cheilor generate cuantic este dovedită pe baza axiomelor mecanicii cuantice, există întotdeauna un pericol de vulnerabilități într-o implementare fizică specifică.
A doua abordare - Criptografie post-cuantică - Ideecrearea de noi algoritmi criptografici asimetrici, construiți nu pe problemele descompunerii numerelor în factori primi, ci pe alte probleme matematice complexe, în soluția cărora un computer cuantic nu va avea avantaje. De exemplu, căutarea unei coliziuni a unei funcții hash. Se pare că, dacă construim semnătura sau distribuirea cheilor pe astfel de primitive post-cuantice, după cum se spune, ne putem apăra împotriva atacurilor folosind un computer cuantic.
Criptografia post-cuantică este suficientă astăzibine dezvoltate: biblioteci comerciale, soluții, produse sunt deja prezentate. Acum tehnologia trece prin stadiul de standardizare: atât în Rusia, cât și în lume, există un proces de decizie care vor fi standardizate. Cred că la orizontul anului 2024 standardele vor fi fixate. Avantajele tehnologiei: simplitate și viteză mare de integrare (pentru că vorbim de software), actualizări regulate de software. Deja astăzi, astfel de soluții sunt folosite pentru a consolida protecția datelor valoroase ale unei game largi de servicii și aplicații ale utilizatorilor corporativi și ale persoanelor fizice (aplicații web, mobile și desktop). Principalul dezavantaj este că secretul criptografiei post-cuantice se bazează încă pe unele presupuneri despre dificultatea rezolvării anumitor clase de probleme matematice. Există întotdeauna o oarecare probabilitate ipotetică ca un computer „post-cuantic” să apară, cu ajutorul căruia va fi posibil să piratați algoritmi post-cuantici. Spre deosebire de distribuția cheii cuantice. Nu există nicio forță demonstrabilă în mod fundamental aici - astfel de algoritmi continuă să fie studiati din punctul de vedere al puterii lor.
Este demn de remarcat faptul că aceste două tehnologii pot fifoarte bine combinate. Astfel, canalele de transmisie a datelor de coloana vertebrală foarte încărcate între, de exemplu, centrele de date ale companiilor mari pot fi protejate folosind criptografia cuantică. Și corespondența noastră sau o tranzacție bancară pentru o mie de ruble se face folosind criptografia post-cuantică. Adică, criptografia cuantică și post-cuantică nu ar trebui să se opună, ci să se gândească productiv la ele ca tehnologii sinergice. Doar că unul este mai concentrat pe stratul de stivă legat de infrastructură, iar celălalt este legat de utilizator.
Standardul de criptografie cuantică este, de asemenease formează. Standardul va fi un protocol specific, adică o metodă specifică a stării cuantice care trebuie luată, cum să o pregătiți și să o măsurați și ce să faceți cu ea în continuare. Până acum există un candidat pentru standarde - protocolul BB84 cu stări înșelătoare. Acest protocol garantează generarea cheilor secrete. Dar noi protocoale apar constant.
Blockchain cuantic și startup-uri
În ultimii ani, s-a acordat multă atențietehnologii blockchain - tehnologii de gestionare a bazelor de date distribuite. Blockchain-urile folosesc două instrumente criptografice importante. În primul rând, semnăturile electronice pentru a confirma calitatea de autor a tranzacțiilor pe care dorim să le trimitem către blocuri. În al doilea rând, o varietate de metode pentru obținerea consensului. De exemplu, una dintre metode, proof-of-work (în engleză, proof-of-work - „High-Tech”), se bazează pe funcții hash criptografice.
Blockchain este vulnerabil împotriva unui computer cuantic înmai ales dacă sunt utilizate semnături electronice și mecanisme de consens, care nu sunt rezistente la atacurile computerizate cuantice. Cu toate acestea, este posibil să se creeze blockchain-uri care să fie rezistente la astfel de atacuri - blockchain-uri cuantice (cuantice). Blockchain-ul cuantic folosește criptografia cuantică sau post-cuantică (sau o combinație a acestora) și permite ca semnăturile și consensul să fie mai rezistente la un computer cuantic.
Sub rezerva interesului utilizatorilor rușine putem aștepta la apariția unui blockchain cuantic în țară în viitor, doi-trei ani. Inițial, este necesar să se creeze o infrastructură de rețele de comunicații cuantice, pe care să fie creat un sistem distribuit în viitor.
Comunicarea cuantică este cea mai popularădirecția pentru activitatea startup-urilor rusești. Pe piață operează mai multe divizii de companii mari, furnizori de securitate clasică a informațiilor. Acestea sunt startup-uri bazate pe ITMO University, Quanttelecom, divizii de companii specializate în securitatea informațiilor, Infotecs și Cryptosoft. QRate este un spin-off al Centrului cuantic rus din 2017. Startup-urile sunt mai predispuse să lucreze cu granturi și investiții private. Ofertele de risc în Rusia sunt încă necunoscute pentru mine.
Internetul lucrurilor și securitatea cuantică
Multe dispozitive Internet of Things - senzori -poate fi atât clasic cât și cuantic. Să presupunem că avem un set de senzori clasici, dispozitive Internet of Things, gateway-uri de control care au informații confidențiale. Pentru a le conecta împreună, aveți nevoie de un protocol de protecție criptografică - din nou, comunicații cuantice.
În această direcție, până acum există doarprototipuri care protejează elemente sau dispozitive individuale - este prea devreme să vorbim despre scară industrială. În primul rând, lumea trebuie să înțeleagă valoarea direcției, să selecteze dispozitivul Internet of Things care are nevoie de protecție și să implementeze eficient comunicarea cuantică. În plus, o serie de bariere tehnice trebuie depășite.
Astăzi nu este complet clar în ce se află exactInternetul lucrurilor trebuie protejat la un nivel atât de înalt. Cu toate acestea, pe măsură ce tehnologia Internet of Things se răspândește, se va extinde și valoarea informațiilor și valoarea piratarii acesteia. În teorie, hacking-ul poate fi deosebit de periculos în producția complet automatizată. Astfel, dacă senzorii transmit informații incorecte către centrul decizional, deciziile vor fi luate incorect, iar prejudiciul economic de la un astfel de atac poate fi destul de semnificativ.
Cinci industrii în care comunicațiile cuantice vor fi aplicate în curând
- Finanţa.Băncile sunt primele care adoptă noile tehnologii.
- Sector public.Aici, comunicațiile sunt legate de datele utilizatorilor, sisteme guvernamentale, alegeri, adică toate domeniile în care un nivel ridicat de protecție este important.
- Telecomunicatii.Servicii de stocare a informațiilor de la distanță (o bună protecție este, de asemenea, importantă pentru ei). Datele pentru stocare pot fi criptate folosind o metodă cuantică.
- Medicament.Lumea colectează din ce în ce mai multe date genetice,которые определяют всю жизнь человека и ее особенности. В ряде стран уже идет процесс по наделению юридической силой части генетических данных человека, приравнивая их к паспортным данным. Их также важно защищать от атак и манипуляций.
- Energie.Este important să se protejeze gestionarea infrastructurii mari, a sistemelor de automatizare și a transportului de energie. Criptografia este deja folosită în multe puncte în astfel de sisteme.
Comunicațiile cuantice în lume și în Rusia
Comunicațiile cuantice din întreaga lume au devenit parte a acesteiaprograme naționale privind tehnologiile cuantice. Experții consideră China lider mondial, dar și comunicațiile se dezvoltă activ în Uniunea Europeană. Compania japoneză Toshiba deține un laborator la Cambridge, mai multe proiecte lucrează în Marea Britanie și în SUA (dar acestea din urmă sunt încă mai concentrate pe calculul cuantic).
Sfera comunicațiilor cuantice din Rusia aratăinvestiție atractivă. Nivelul tehnologic al criptografiei cuantice rusești astăzi este comparabil cu cel global, iar unele soluții pentru postprocesarea cheilor arată mai bine decât omologii lor mondiali.
Ca orice tehnologie destul de tânără,Comunicațiile cuantice au anumite dificultăți cu o dezvoltare pe scară largă. Până când nu există un precedent în lume cu piratarea sau furtul oricărei informații valoroase folosind un computer cuantic, criptarea cuantică arată mai mult ca o asigurare. Oamenii nu înțeleg dacă potențialul său este pe deplin realizat, ceea ce, la rândul său, face dificilă atragerea investițiilor. Pentru a demonstra potențialul, aveți nevoie de cel puțin un hack. De asemenea, ca să dezvăluim, piața rusă duce lipsă de proiecte precum o foaie de parcurs; producerea în masă a dispozitivelor și încercările de a le îmbunătăți.
Nu toate companiile împărtășesc în mod deschis date dacăce etapă de dezvoltare sunt soluțiile lor. QRate are un produs finit, gata de utilizare industrială; potențialii clienți, de exemplu, Gazprombank, îl testează. Sber a testat, de asemenea, sistemele companiei pentru toleranță la erori timp de un an. Startupul dezvoltă tehnologia de comunicație cuantică, cu accent pe implementarea fibrelor optice.
Construcția a început în decembrie 2020principala rețea cuantică Moscova - Sankt Petersburg de către Căile Ferate Ruse. Aceasta este o linie care va consta din segmente la o distanță de 100-200 km. Acestea sunt necesare pentru a reduce pierderile din transmisia semnalului, recriptarea semnalului la noduri. Nodurile clasice de încredere din rețea sunt utilizate deoarece repetatoarele cuantice nu sunt încă suficient dezvoltate (o altă dintre marile probleme științifice). În general, această rețea este un exemplu de proiect viabil din punct de vedere economic în domeniul comunicațiilor cuantice, cu o cantitate mare de date care circulă între Moscova și Sankt Petersburg. Rețeaua va ajuta, printre altele, la protejarea canalelor de comunicații prin care vor fi controlate Sapsan și Swallows fără pilot.
Citeste mai mult:
Încetinirea rotației Pământului a provocat eliberarea de oxigen pe planetă
Astronomii observă structuri neobișnuite în spațiul profund
Vedeți mai multe arte rock Neanderthal vechi de 60.000 de ani