Vad är kvantkommunikation
Jag föreslår att börja med grunderna och titta på själva frasen. Det har den
Den mest utvecklade riktningen inom tekniken- kvantkryptografi, eller, mer exakt, kvantnyckeldistribution. Detta är en uppsättning metoder som syftar till att generera en delad hemlig nyckel mellan fjärranvändare, som sedan används för kryptering.
En annan uppgift för kvantkommunikation är överföringenkvantinformation mellan kvantdatorer. Teknologier går smidigt mot utvecklingen av distribuerad kvantberäkning, det vill säga skapandet av till exempel en central kvantdator och många perifera maskiner som löser vissa deluppgifter och överför data till varandra. Ett alternativ till detta kan vara en uppsättning sammankopplade fjärrkvantprocessorer. I februari 2021 visade en grupp forskare från Tyskland möjligheten att överföra kvantinformation mellan två modulära kvantprocessorer. Resultaten av experimentet publicerades i tidskriften Science. Detta är ett viktigt steg i utvecklingen av teknik, som visade att det är möjligt att öka kraften i kvantberäkningstekniker genom att kombinera flera enheter till ett nätverk.
En intressant teknisk funktion ärFaktum är att om vi i kvantdatorer väljer en plattform som är mest effektivt lämpad för att lösa vissa problem, så är allt uppenbart med utbytet av kvantinformation: fotoner, det vill säga ljuspartiklar, gör det bästa jobbet. Det finns praktiskt taget inga alternativ. Därför är forskare redan medvetna om vad grundämnets bas kommer att vara. Den enda svårigheten är att kvantinformation, som till exempel uppstår som en del av driften av en supraledande kvantdator, på något sätt översätts till en foton som kan sändas över långa avstånd. Och sedan konvertera den igen till den form som är tillgänglig för en kvantdator. Om kvantkryptografi är en tydlig teknologisk front som befinner sig i ett mycket högt beredskapsstadium, så är området för kvantkommunikation förknippad med utbyte av kvantinformation mellan kvantdatorer en stor uppgift som befinner sig i ett ganska tidigt skede.
Medan det är vanligt med kvantberäkningtalar om kvantvolym - att öka antalet kvantbitar och operationernas noggrannhet, i kvantkommunikation i ett brett sammanhang finns det ännu inte ett enda mått. Inom kvantkryptografi fokuserar forskare på hastigheten för nyckelgenerering över vilket avstånd som helst. Oftast övervägs nyckelgenereringshastigheten på 50 km, vilket gör att du kan jämföra olika enheter. Ibland studerar de också vissa begränsande egenskaper, till exempel det maximala avståndet för att generera nycklar.
Järnvägskvant
Det finns flera områden runt järnvägstransportsystemet där kvantkommunikation (inklusive kryptografi) kan vara användbar.
Först och främst är detta en historia om fiberoptikkablar. Fiberoptisk kabel är ett av de viktigaste verktygen för överföring av kvantinformation. I kvantkryptografi använder vi den för att överföra foton som bildar kryptografiska nycklar.
För det andra, järnvägsinfrastrukturen själv -en uppsättning komplexa tekniska objekt som måste skyddas. Helst om vi hade en kvantfördelning av nycklar längs järnvägslinjer, kunde vi använda dessa kvantnycklar för att lösa informationssäkerhetsproblem som uppstår inom järnvägsindustrin.
Och slutligen många järnvägslinjer -inte bara transporter av människor, utan också transport av en stor mängd olika data. Till exempel Moskva - Petersburg, ett av de ryska järnvägens flaggskeppsprojekt. Ruttens värde är uppenbart: det finns ett kolossalt antal dataanvändare i Moskva och inte mindre antal i Sankt Petersburg. De utbyter en stor mängd meningsfull information som måste skyddas, så tanken på att använda kvantkryptografi är utan tvekan ekonomiskt motiverad.
Vanligtvis genomförandet av kvantdistributionnycklar mellan två punkter A och B, belägna på ett avstånd av mer än hundra kilometer, utförs genom att lägga till ytterligare mellanliggande betrodda noder på rutten från A till B. Ett sådant nätverk kallas en "ryggrad" (på engelska. backbone - "Hi-tech"). En ringstruktur är också möjlig i världen: när en del av en ring misslyckas kan information skickas till en annan del av ringen. Med en stjärnsystemdesign, det centrala kontoret och det perifera arkitekturarbetet - de är lämpliga för en distribuerad arkitektur. Det kan finnas slutna och öppna strukturer, förgrenade, liksom Peking-Shanghai-nätverket, detta är en slags "ryggrad" med en uppsättning långdistansnät.
Kvant- och postkvantkryptografi
Antag inte att kryptografi äruteslutande för företag inom finans- eller banksektorn, det gäller alla. Vi måste alla utbyta data i krypterad form, eftersom en del av den information som vi använder faktiskt är av högt värde. Till exempel vill vi göra ett köp på Internet med ett kreditkort. För att göra detta måste vi på något sätt överföra kreditkortsuppgifterna till banken, men för att banken ska kunna skriva av pengarna, men angriparen inte gör det.
Kryptografiparadigmet bygger på att metodentransformationen är känd för angriparen. Det vill säga, han vet hur vi krypterar, men känner inte till den enda hemliga krypteringsparametern - den kryptografiska nyckeln. Detta innebär att för att implementera krypteringscykeln måste vi på något sätt byta ut en kryptografisk nyckel med mottagaren av informationen.
Hur kan jag överföra nycklar?För att lösa detta problem användes speciella kurirer på statlig och företagsnivå. Metoden är delvis implementerad än i dag – till exempel av diplomater. Nackdelarna med detta tillvägagångssätt är uppenbara: det är komplext, inte ekonomiskt genomförbart och är funktionellt lämpligt endast för ett mycket litet antal operationer - du kommer inte att kunna köpa en bok på Internet på detta sätt.
Någonstans i mitten av 70- och 80-talet en nykonceptet är publik nyckelkryptering. Tanken är att vi kan generera en kryptografisk nyckel genom att implementera någon uppsättning matematiska procedurer. Så vi, legitima användare, behöver bara utföra effektiva matematiska operationer, som att multiplicera tal. Och för att angripare ska få tillgång till våra nycklar måste de implementera en komplicerad operation - till exempel att inkludera siffror i primtalsfaktorer.
Detta koncept fungerar bra än idag, menVid något tillfälle stod det klart att i samma ögonblick som en tillräckligt kraftfull kvantdator dök upp, skulle den nuvarande generationen av algoritmer, byggda på problem som att faktorisera tal till primtalsfaktorer, sluta vara stabil. Nya sätt att generera kryptografiska nycklar kommer att behövas, eftersom den främsta sårbara delen av kryptografi med tillkomsten av en kvantdator kommer att vara nyckeldistribution och digitala signaturer.
Det finns två principiellt nya tillvägagångssätt förlösa problemet. Den första är kvantkryptografi, som är kvantnyckeldistribution (som vi beskrev tidigare). Kvantkryptografi fungerar så här: vi kodar bitar av information till enstaka kvanttillstånd av ljus (foton) och överför dem. Felnivån vid överföring kan omedelbart bestämma graden av intrång i inkräktare. Om felprocenten inte överstiger ett visst tröskelvärde säger vi att vi kan förkorta våra nycklar på ett speciellt sätt så att avlyssningsinformationen om de förkortade nycklarna är försumbar. Denna procedur kallas "härdning" och krävs för att få de sista hemliga nycklarna.
Således löser vi problemet med distributionkryptografiska nycklar om inkräktare har en kvantdator, eftersom kvantkryptografi inte kan brytas med en kvantdator. Fördelar: Grundläggande, fysikbaserad säkerhet. Nackdelar: begränsningar av avstånd, kostnad och hastighet för nyckelgenerering. Det är också viktigt att notera att kvantnyckeldistributionssystem är komplexa hårdvaru- och mjukvarusystem. Trots att säkerheten för kvantgenererade nycklar bevisas utifrån kvantmekanikens axiom, finns det alltid en risk för sårbarheter i en specifik fysisk implementering.
Andra tillvägagångssättet - Post -Quantum Cryptography - Idéskapande av nya asymmetriska kryptografiska algoritmer, som inte bygger på problemen med att sönderdela tal till primfaktorer, utan på andra komplexa matematiska problem, i vilka en kvantdator inte har några fördelar. Till exempel att söka efter en kollision av en hash -funktion. Det visar sig att om vi bygger en signatur eller fördelning av nycklar på sådana, som de säger, post-quantum primitives, kan vi skydda oss från attacker med hjälp av en kvantdator.
Postkvantkryptografi räcker idagväl utvecklad: kommersiella bibliotek, lösningar, produkter är redan presenterade. Nu går tekniken igenom standardiseringsstadiet: både i Ryssland och i världen pågår en process för att bestämma vilka lösningar som ska standardiseras. Jag tror att vid horisonten av 2024 kommer standarderna att fastställas. Teknikens fördelar: enkelhet och hög integrationshastighet (eftersom vi pratar om mjukvara), regelbundna mjukvaruuppdateringar. Redan idag används sådana lösningar för att stärka skyddet av värdefull data för ett brett utbud av tjänster och applikationer för företagsanvändare och privatpersoner (webb-, mobil- och stationära applikationer). Den största nackdelen är att sekretessen för postkvantkryptografi fortfarande bygger på vissa antaganden om svårigheten att lösa vissa klasser av matematiska problem. Det finns alltid en viss hypotetisk sannolikhet att en "postkvant"-dator kommer att dyka upp, med vilken det kommer att vara möjligt att hacka postkvantalgoritmer. Till skillnad från kvantnyckeldistribution. Det finns ingen i grunden bevisbar styrka här - sådana algoritmer fortsätter att studeras utifrån deras styrka.
Det är värt att notera att dessa två tekniker kan varamycket bra kombinerat. Således kan högt belastade dataöverföringskanaler i stamnätet mellan till exempel stora företags datacenter skyddas med hjälp av kvantkryptografi. Och vår korrespondens eller en banktransaktion för tusen rubel görs med post-kvantkryptografi. Det vill säga, kvant- och post-kvantkryptografi bör inte motarbetas, utan produktivt tänka på dem som synergistiska teknologier. Det är bara det att den ena är mer fokuserad på stackskiktet relaterat till infrastrukturen, och det andra är relaterat till användaren.
Kvantkryptografistandarden är ocksåhåller på att bildas. Standarden kommer att vara ett specifikt protokoll, det vill säga en specifik metod för vilket kvanttillstånd som måste tas, hur man förbereder och mäter det och vad man ska göra med det härnäst. Hittills finns det en kandidat för standarder - BB84-protokollet med vilseledande tillstånd. Detta protokoll garanterar generering av hemlig nyckel. Men nya protokoll dyker upp hela tiden.
Quantum blockchain och startups
De senaste åren har stor uppmärksamhet ägnatsblockchain-teknologier - teknologier för att hantera distribuerade databaser. Blockkedjor använder två viktiga kryptografiska verktyg. Först elektroniska signaturer för att bekräfta författarskapet till transaktioner som vi vill skicka till block. För det andra en mängd olika metoder för att uppnå konsensus. Till exempel är en av metoderna, proof of work (på engelska, proof-of-work - "High-Tech") baserad på kryptografiska hashfunktioner.
Blockchain är sårbar mot en kvantdator isärskilt om elektroniska signaturer och konsensusmekanismer används, som inte är resistenta mot kvantdatorattacker. Det är dock möjligt att skapa blockkedjor som är resistenta mot sådana attacker – kvantsäkra (kvant) blockkedjor. Quantum blockchain använder antingen kvant- eller post-kvantkryptering (eller en kombination av dem) och tillåter signaturer och konsensus att göras mer motståndskraftiga mot en kvantdator.
При условии интереса российских пользователей можно ожидать появление квантового блокчейна в стране в перспективе двух-трех лет. Первоначально необходимо создать инфраструктуру сетей квантовых коммуникаций, на которой в дальнейшем будет создана распределенная система.
Квантовые коммуникации — наиболее популярное riktning för arbetet med ryska nystartade företag. Flera divisioner av stora företag, leverantörer av klassisk informationssäkerhet, verkar på marknaden. Dessa är nystartade företag baserade på ITMO University, Quanttelecom, divisioner av företag som specialiserat sig på informationssäkerhet, InfoTeKS och Cryptosoft. QRate är en avknoppning av Russian Quantum Center sedan 2017. Startups är mer benägna att arbeta med bidrag och privata investeringar. Företagsaffärer i Ryssland är fortfarande okända för mig.
Internet of Things och Quantum Security
Många Internet of Things-enheter - sensorer -kan vara både klassisk och kvant. Låt oss säga att vi har en uppsättning klassiska sensorer, Internet of Things-enheter, kontrollgateways som har konfidentiell information. För att koppla ihop dem behöver du ett kryptografiskt skyddsprotokoll - återigen, kvantkommunikation.
I denna riktning, så långt finns det baraprototyper som skyddar enskilda element eller enheter - det är för tidigt att prata om industriell skala. Först måste världen förstå värdet av riktningen, välja Internet of Things-enheten som behöver skydd och effektivt implementera kvantkommunikation. Dessutom måste ett antal tekniska hinder övervinnas.
Idag är det inte helt klart exakt vad som finns iInternet of Things måste skyddas på en så hög nivå. Men i takt med att Internet of Things-tekniken sprider sig, kommer värdet av information och värdet av att hacka den också. I teorin kan hacking vara särskilt farligt i helautomatiserad produktion. Om sensorer överför felaktig information till beslutscentret, kommer besluten att fattas felaktigt, och den ekonomiska skadan från en sådan attack kan vara ganska betydande.
Fem branscher där kvantkommunikation snart kommer att tillämpas
- Finansiera.Banker är de första som använder ny teknik.
- Offentlig sektor.Här är kommunikation relaterade till användardata, myndighetssystem, val, det vill säga alla områden där en hög skyddsnivå är viktig.
- Telekommunikation.Сервисы удаленного хранения информации (им также важна хорошая защита). Данные для хранения могут быть зашифрованы квантовым способом.
- Medicin.Världen samlar in mer och mer genetisk data,som bestämmer hela en persons liv och dess egenskaper. I ett antal länder pågår redan en process för att ge rättslig kraft åt en del av en persons genetiska data och jämföra dem med passdata. Det är också viktigt att skydda dem från attacker och manipulation.
- Энергетика. Важно защищать управление крупной инфраструктурой, системы автоматизации, передачи энергии. Уже сейчас во многих точках таких систем используется криптография.
Kvantkommunikation i världen och i Ryssland
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).
Kvantkommunikationens sfär i Ryssland ser ut sominvestering attraktiv. Den tekniska nivån för rysk kvantkryptografi idag är jämförbar med den globala, och vissa lösningar för efterbearbetning av nycklar ser bättre ut än deras motsvarigheter i världen.
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.
Inte alla företag delar öppet data om huruvidavilket utvecklingsstadium är deras lösningar. QRate har en färdig produkt klar för industriellt bruk, den testas av potentiella kunder - till exempel Gazprombank. Sber testade också företagets system för feltolerans i ett år. Starten utvecklar kvantkommunikationsteknik med fokus på fiberoptisk implementering.
Bygget startade i december 2020ryggradskvantnätverk Moskva - Sankt Petersburg av ryska järnvägar. Detta är en linje som kommer att bestå av segment på ett avstånd av 100-200 km. De behövs för att minska förluster i signalöverföring, omkryptering av signalen vid noderna. Klassiska betrodda noder i nätverket används eftersom kvantrepeterare ännu inte är tillräckligt utvecklade (ett annat av de stora vetenskapliga problemen). I allmänhet är detta nätverk ett exempel på ett ekonomiskt lönsamt projekt inom kvantkommunikation med en stor mängd data som cirkulerar mellan Moskva och Sankt Petersburg. Nätverket kommer bland annat att hjälpa till att skydda de kommunikationskanaler genom vilka obemannade Sapsaner och svalor kommer att kontrolleras.
Läs mer:
Bromsningen av jordens rotation orsakade utsläpp av syre på planeten
Astronomer upptäcker ovanliga strukturer i djupt utrymme
Se mer 60 000 år gammal Neanderthal-rockkonst