Квантавая сувязь у дзеянні - апісанне, асаблівасці і цікавыя факты

Квантавая фізіка прапануе абсалютна новы спосаб абароны інфармацыі. Навошта ён патрэбны, хіба цяпер нельга пракласці абаронены канал сувязі? Безумоўна, можна. Але ўжо створаны квантавыя кампутары, і ў той момант, калі яны стануць распаўсюджаныя паўсюдна, сучасныя алгарытмы шыфравання будуць марныя, бо гэтыя магутныя кампутары змогуць узломваць іх за долі секунды. Квантавая сувязь дазваляе шыфраваць інфармацыю пры дапамозе фатонаў - элементарных часціц.

Такія кампутары, атрымаўшы доступ да квантавым каналу, так ці інакш зменяць цяперашні стан фатонаў. І спроба атрымаць інфармацыю прывядзе да яе пашкоджання. Хуткасць перадачы інфармацыі, вядома, ніжэй, у параўнанні з іншымі, цяпер існуючымі каналамі, напрыклад, з тэлефоннай сувяззю. Але квантавая сувязь забяспечвае значна большы ўзровень сакрэтнасці. Гэта, натуральна, вельмі вялікі плюс. Асабліва ў сучасным свеце, калі кіберзлачыннасць расце з кожным днём.

Квантавая сувязь для "чайнікаў"

Калісьці галубіная пошта была выцесненая тэлеграфам, у сваю чаргу, тэлеграф выцесніла радыё. Вядома, яно сёння, нікуды не дзелася, але з'явіліся іншыя сучасныя тэхналогіі. Усяго дзесяць гадоў таму Інтэрнэт не быў распаўсюджаны так, як сёння і доступ да яго было атрымаць дастаткова складана - даводзілася ехаць у інтэрнэт-клубы, купляць вельмі дарагія карткі і т. Д. Сёння без Інтэрнэту мы не пражываем ні гадзіны, і з нецярпеннем чакаем 5G.

Але чарговы новы стандарт сувязі не вырашыць задачы, якія стаяць цяпер перад арганізацыяй абмену дадзенымі пры дапамозе Інтэрнэту, атрымання дадзеных са спадарожнікаў з паселішчаў на іншых планетах і т. П. Усе гэтыя дадзеныя павінны быць надзейна абаронены. А арганізоўваць гэта можна пры дапамозе так званай квантавай заблытанасці.

Што ж такое квантавая сувязь? Для "чайнікаў" тлумачаць гэтую зьяву як сувязь розных квантавых характарыстык. Яна захоўваецца нават тады, калі часціцы разнесеныя адзін ад аднаго на вялікую адлегласць. Зашыфраваны і перададзены пры дапамозе квантавай заблытанасці ключ, не прадаставіць ніякай каштоўнай інфармацыі ўзломшчыкам, якія паспрабуюць яго перахапіць. Усё, што яны атрымаюць - гэта іншыя лічбы, так як стан сістэмы, пры знешнім умяшанні, будзе зменена.

Але стварыць сусветную сістэму перадачы дадзеных не ўдавалася, бо ўжо праз некалькі дзесяткаў кіламетраў сігнал згасала. Спадарожнік, запушчаны ў 2016, дапаможа рэалізаваць схему квантавай перадачы ключоў на адлегласці больш за 7 тыс. Км.

Першыя паспяховыя спробы выкарыстання новай сувязі

Самы першы пратакол квантавай крыптаграфіі быў атрыманы ў 1984 г. Сення гэтая тэхналогія паспяхова выкарыстоўваецца ў банкаўскай сферы. Вядомыя кампаніі прапаноўваюць створаныя імі крыптасістэмы.

Квантавая лінія сувязі ажыццяўляецца на стандартным оптавалакновага кабеля. У Расіі першы абаронены канал быў пракладзены паміж аддзяленнямі "Газпромабанка" у Новых Черемушках і на карову вале. Агульная даўжыня складае 30,6 км, памылкі пры перадачы ключа ўзнікаюць, але іх адсотак мінімальны - усяго 5%.

Кітай запусціў спадарожнік квантавай сувязі

Першы ў свеце падобны спадарожнік быў запушчаны ў Кітаі. Ракета Long March-2D стартавала 16 жніўня 2016 г. са касмадрома Цзю-Цюань. Спадарожнік вагой 600 кг будзе 2 гады лётаць па сонечна-сінхроннай арбіце, вышынёй 310 міль (або 500 км) у межах праграмы "Квантавыя эксперыменты ў касмічнай маштабе". Перыяд звароту апарата вакол Зямлі складае паўтары гадзінах.

Спадарожнік квантавай сувязі называецца Micius, ці "Мо-Цзы", у гонар філосафа, які жыў у V ст.н.э. і, як прынята лічыць, першым праводзіў аптычныя эксперыменты. Навукоўцы збіраюцца вывучыць механізм квантавай заблытанасці і правесці квантавую тэлепартацыю паміж спадарожнікам і лабараторыяй ў Тыбеце.

Апошняя перадае квантавы стан часціцы на зададзеную адлегласць. Для рэалізацыі гэтага працэсу патрэбна пара заблытаных (інакш кажучы, счэпленых) часціц, якія знаходзяцца на адлегласці адзін ад аднаго. Згодна з квантавай фізіцы, яны здольныя ўлоўліваць інфармацыю пра стан партнёра, нават знаходзячыся далёка адзін ад аднаго. Гэта значыць можна аказваць ўздзеянне на часціцу, якая знаходзіцца ў далёкім космасе, уздзейнічаючы на яе партнёра, які знаходзіцца побач, у лабараторыі.

Спадарожнік будзе ствараць два заблытаных фатона і адпраўляць іх на Зямлю. Калі вопыт будзе ўдалым, ён адзначыць сабой пачатак новай эры. Дзесяткі падобных спадарожнікаў змогуць не толькі забяспечыць паўсюднае распаўсюджванне квантавага інтэрнэту, але і квантавую сувязь у космасе для будучых паселішчаў на Марсе і на Месяцы.

Навошта патрэбныя такія спадарожнікі

Але навошта наогул патрэбен спадарожнік квантавай сувязі? Хіба ўжо існуючых звычайных спадарожнікаў не дастаткова? Справа ў тым, што гэтыя спадарожнікі не будуць замяняць звычайныя. Прынцып квантавай сувязі складаецца ў кадаванні і абароне існуючых звычайных каналаў перадачы дадзеных. З яе дапамогай, напрыклад, ужо забяспечвалася бяспеку падчас правядзення парламенцкіх выбараў у 2007 годзе ў Швейцарыі.

Некамерцыйная даследчая арганізацыя Баттельский мемарыяльны інстытут, праводзіць абмен інфармацыяй паміж арганізацыямі ў ЗША (штат Агаё) і ў Ірландыі (Дублін) выкарыстоўваючы квантавую заблытанасць. Прынцып яе заснаваны на паводзінах фатонаў - элементарных часціц святла. З іх дапамогай кадуецца інфармацыя і адпраўляецца адрасату. Тэарэтычна, нават самая акуратная спроба ўмяшання, пакіне след. Квантавы ключ зменіцца адразу ж, і хакер, распачаў спробу, атрымае бессэнсоўны знакавы набор. Таму ўсе дадзеныя, якія будуць перадаваць праз гэтыя каналы сувязі, немагчыма перахапіць або скапіяваць.

Спадарожнік дапаможа навукоўцам тэставаць размеркаванне ключа паміж наземнымі станцыямі і самім спадарожнікам.

Квантавая сувязь у Кітаі будзе рэалізавана дзякуючы оптавалакновых кабелях, агульнай працягласцю 2 тыс. Км і аб'ядноўваюць 4 горада ад Шанхая да Пекіна. Серыі фатонаў бясконца перадавацца не могуць, і чым больш адлегласць паміж станцыямі, тым вышэй шанец таго, што інфармацыя будзе пашкоджана.

Прайшоўшы нейкую адлегласць, сігнал згасае, і навукоўцам, для таго каб падтрымліваць карэктную перадачу інфармацыі, патрэбен спосаб абнаўлення сігналу праз кожныя 100 км. У кабелях гэта дасягаецца з дапамогай правераных вузлоў, у якіх ключ аналізуецца, капіюецца новымі фатонамі і ідзе далей.

трохі гісторыі

У 1984 г. Брассард Ж. з Манрэальскі універсітэта і Бенет Ч. з IBM выказалі здагадку, што фатоны можна выкарыстоўваць у крыптаграфіі для атрымання абароненага фундаментальнага канала. Імі была прапанавана простая схема квантавага пераразмеркавання шыфравальных ключоў, якая была названая ВВ84.

Схема гэтая выкарыстоўвае квантавы канал, па якім інфармацыя паміж двума карыстальнікамі перадаецца ў выглядзе палярызаваных квантавых станаў. Падслухоўваць іх хакер можа паспрабаваць вымераць гэтыя фатоны, але ён не можа гэта зрабіць, як сказана вышэй, не унёсшы ў іх скажэнні. У 1989 г. у Даследчым цэнтры IBM Брассард і Бенет стварылі першую ў свеце якая працуе квантава-крыптаграфічную сістэму.

З чаго складаецца квантава-аптычная крыптаграфічных сістэма (Кокс)

Асноўныя тэххарактарыстыкі Кокс (каэфіцыент памылак, хуткасць перадачы дадзеных і да т.п.) вызначаны параметрамі ўтвараюць канал элементаў, якія фарміруюць, перадаюць і вымераюць квантавыя стану. Звычайна Кокс складаецца з прыёмнай і якая перадае частак, якія звязаны каналам перадачы.

Крыніцы выпраменьвання падзяляюцца на 3 класа:

• лазеры;
• микролазеры;
• святловыпрамяняльныя дыёды.

Для перадачы аптычных сігналаў у якасці асяроддзя выкарыстоўваюць валаконна-аптычныя святлодыёды, аб'яднаныя ў кабелі рознай канструкцыі.

Прырода сакрэтнасці квантавай сувязі

Пераходзячы ад сігналаў, у якіх перадавалася інфармацыя кадуецца імпульсамі з тысячамі фатонаў, да сігналаў, у якіх на адзін імпульс, у сярэднім, даводзіцца іх менш адзінкі, у дзеянне ўступаюць квантавыя законы. Менавіта выкарыстанне гэтых законаў з класічнай крыптаграфіяй дазваляе дасягаць сакрэтнасці.

Прынцып нявызначанасці Гейзенберга ўжываецца ў квантава-крыптаграфічных апаратах і дзякуючы яму любыя спробы змены ў квантавай сістэме ўносяць у яе змены, і фармацыя, атрыманая ў выніку падобнага вымярэння, вызначаецца прыманай бокам як ілжывая.

Ці дае квантавая крыптаграфія 100% гарантыю ад узлому?

Тэарэтычна дае, але тэхнічныя рашэнні не зусім надзейныя. Зламыснікі сталі выкарыстоўваць лазерны прамень, з дапамогай якога яны асляпляюць квантавыя дэтэктары, пасля чаго тыя перастаюць рэагаваць на квантавыя ўласцівасці фатонаў. Часам выкарыстоўваюцца многофотонные крыніцы, і ўзломшчыкі могуць атрымліваць магчымасць прапускаць адзін з іх і вымяраць ідэнтычныя.