Если вы возьмете миллиметр и разделите его на тысячу частей, то получите микрон. Если разделите на тысячу частей микрон, то получите нанометр, а это уже сопоставимо с размером десяти атомов водорода. За невидимой границей открывается настоящее поле чудес, которое называется «квантовой механикой».

Теория

Этот раздел физики все еще вызывает массу вопросов. Если применительно к одной элементарной частице разработана детальная и признанная Копенгагенская квантовая теория, то многочастичная область квантовой механики пока представляет собой настоящую terra incognita. На ее просторах скрываются удивительные явления. Прежде всего, это квантовая запутанность (сцепленность) – феномен, который проявляется в способности частиц, расположенных друг от друга на значительном удалении, обмениваться информацией о происходящем с каждой из них. Как такое происходит — до сих пор непонятно, но все это явно вытекает из математического аппарата квантовой теории, с выводами которого когда-то был категорически не согласен сам Эйнштейн.

Лишь сравнительно недавно, в 1982 году, описанное явление запутанности бифотонов (каждый из них, представляя собой пару фотонов, является единым квантовым объектом) было подтверждено экспериментально. Сейчас, по словам профессора кафедры квантовой информатики МГУ Юрия Ожигова, эффект запутанности экспериментально регистрируется на расстоянии примерно 200 км, причем передача информации между объектами осуществляется практически мгновенно. Хотя это явление неоднократно подтверждено и верифицировано, его механика и сущность до сих пор остаются величайшими загадками для физиков. Ясно одно: его нельзя использовать для традиционного информационного обмена, поскольку принцип релятивизма остается незыблемым. Зато квантовый канал можно задействовать для революционного усовершенствования криптографических систем, ведь квантовое состояние невозможно клонировать - на стражу секретов встает сама природа.

Сергей Рябко, генеральный директор компании «С-Терра СиЭсПи», подчеркивает: «Явление, состоящее в том, что измерение объекта меняет его состояние, возможно только в квантовом мире. В привычной реальности его нет. Но мы научились работать с квантовым объектом и детектировать факт квантового измерения».

Основным объектом переноса информации в квантовой криптографии является квантовый бит, или q-бит. Физически он представляет собой поляризованный фотон, передаваемый посредством оптических каналов связи. На приемном устройстве можно измерить поляризацию q-бита, после чего он поглотится счетчиком фотонов и перестанет существовать. К слову, в квантовом компьютере, вокруг которого сейчас ломается столько копий, на роль q-бита претендуют несколько иных кандидатов, например свободные элементарные частицы и атомы в том или ином состоянии спина.

В 1984 году научному сообществу был представлен первичный протокол квантового распределения ключа BB84, названный в честь его разработчиков Чарльза Беннета и Жиля Брассарда. Этот протокол описывает наиболее примитивный механизм квантовой криптографии, реализуя распределение случайных битов между двумя точками.

В качестве иллюстрации принципа действия BB84 используются два «классических» персонажа – Алиса и Боб. Они посылают друг другу секретные данные по квантовому информационному каналу посредством фотонных импульсов. Каждый из импульсов случайным образом поляризован в одном из четырех направлений. Одновременно Алиса и Боб обмениваются q-битами по второму, служебному квантовому каналу, сообщая друг другу условия измерений квантовых битов, но никого не информируя о результатах замеров. Злоумышленник, которого принято называть Евой, перехватывая q-бит, в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга меняет его состояние, о чем немедленно становится известно Алисе и Бобу. Скомпрометированный измененный q-бит детектируется и отбраковывается. Соответственно, доступ к данным, передаваемым по параллельному информационному каналу, становится для Евы невозможным (см. рисунок).

Как сообщил Андрей Корольков, заместитель начальника управления ФСБ РФ, развитием первичного алгоритма BB84 стал стек дополнительных квантовых криптографических протоколов. Используя их, два условных пользователя могут создать у себя одинаковый ключ со сколь угодно высокой степенью секретности, обусловленной, правда, уже не квантовыми, а чисто криптографическими механизмами.

Другими словами, к физическому инструментарию прилагается мало описанная в литературе, но применяемая на практике технологическая надстройка. Она представляет собой минимум четыре протокола квантовой криптографии, работающих с первичной системой квантовой передачи. Кроме того, в протоколе BB84 отсутствует механизм аутентификации, который должен обеспечить уверенность Алисы и Боба в том, что они общаются между собой, а не с кем-нибудь другим. Для этих целей используются дополнительные (их - минимум три) протоколы, ответственные за квантовую аутентификацию.

«Ноу-хау стран, участвующих в сегодняшней квантовой гонке, состоят в том, чтобы правильно применять известные криптографические решения, нанизывая их на физический квантовый канал», - отмечает Корольков.

 Фото: СС BY-SA 2.0, Jeff Keyzer.

Практика

Активные исследования в области квантовой криптографии ведут крупнейшие технологические компании, включая IBM, Mitsubishi, Toshiba, а также авторитетные научные и образовательные центры планеты. В некоторых странах уже работают экспериментальные квантовые сети, связывающие между собой города на расстоянии десятков километров. Так, в Бостоне (США) около года в опытном режиме действует квантовая сеть, насчитывающая примерно 20 узлов. В австрийской столице сеть квантовых каналов связывает между собой около десятка точек.

На рынке предлагаются коммерческие образцы квантовых криптографических систем для магистральных оптических линий, стоимость которых составляет порядка 100 тыс. долл. за пару устройств (например, это QKD фирмы id Quantique). Очевидно, что приложения, в которых они могут быть использованы, должны быть критически важными, а информация - строго секретной.

Реализуются и проекты создания дешевой квантовой криптографии, один из которых финансируется Европейской комиссией. Речь идет о разработке парных систем — вроде кредитной карточки и компактного считывателя информации. Взаимодействие между этими двумя объектами предполагается осуществлять по оптическому каналу при приближении одного объекта к другому. Примерный срок реализации проекта - два года. В нем планируется использовать в невидимом диапазоне спектра довольно дешевые лазерные диоды, подобные тем, что сейчас применяются в лазерных указках.

К сожалению, проекты, реализованные в области квантовой криптографии, показывают невысокую дальность работы таких систем и их слабую пропускную способность. В сетях на основе волоконной оптики максимальная дальность действия квантовой криптографии составляет примерно 100 км, а производительность канала – не более 100 Кбит/с. Это связано с естественным рассеянием сигнала в оптоволокне. Как известно, сохранить поляризацию сигнала в оптическом волокне при его передаче на большие расстояния очень сложно. Учеными разработаны квантово-криптографические протоколы, в которых вместо поляризации применяются иные принципы действия, в том числе фазо-временное и частотно-временное кодирование. В эти протоколах используется уникальное свойство фотонов практически никогда не менять свою частоту. Кроме того, в ближайшие годы планируется создать квантовый регенератор, позволяющий существенно удлинять линии квантовой связи, как в традиционных ВОЛС. Наиболее активно такими вопросами занимаются австрийские ученые в рамках европейских проектов.

В экспериментах, связанных с квантовой криптографией, применяются не только волокно, но и атмосферно-оптические линии связи. Проведенные в швейцарских Альпах исследования показали возможность организации защищенных квантовых каналов на расстоянии 23 км. Над Атлантическим океаном между двумя островами максимальное рабочее расстояние системы составило 150 км. Добавим: на базе атмосферно-оптических систем сейчас реализуется проект создания межспутниковых линий квантовой связи и линии связи «Земля – спутник» для обеспечения смены ключей на объектах, которые невозможно снять с орбиты. Это особенно актуально для низкоорбитальных спутников, таких как Galileo.

Впрочем, пройдет десяток лет, прежде чем подобные проекты достигнут стадии зрелости, полагает Корольков. По его сведениям, экономический кризис негативно проявился и в области квантовой криптографии. Так, еще в прошлом году МКС намеревались оснастить прибором квантовой космической связи между Землей и одним из телескопов на островах, принадлежащих Франции. В ходе проекта предстояло отладить квантовую передачу информации как таковую - без реализации криптографического механизма.

Помимо недостаточного финансирования развитие квантовой криптографии ограничивается сложными техническими проблемами. Нужно принимать во внимание и позицию скептиков, которые утверждают, что человечеству нет нужды в квантовой криптографии, поскольку обычные (математические) средства шифрования способны обеспечить 100-процентную защиту любых секретов. К тому же, говорят сторонники традиционной криптографии, хотя атаковать квантовый канал с целью взлома действительно бесполезно, можно легко атаковать получателя или хранителя информации – человека, который даже в эпоху квантовой защиты данных останется наиболее уязвимой частью системы информационного обмена.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями