Confundă cu cei dezlănțuiți

Confundă cu cei dezlănțuiți

Ilya Ferapontov
"Mecanică populară" №2, 2016

Lungimea maximă a canalului de comunicare, care permite utilizarea metodei criptografiei cuantice, este doar puțin mai mare de o sută de kilometri. Oamenii de știință de la Centrul Quantum din Rusia au dezvoltat o modalitate de a mări semnificativ această distanță.

Imaginați-vă că, înainte de a trimite un e-mail unui prieten, trebuie să obțineți o hartă, să măsurați distanța până la orașul în care trăiește și dacă se dovedește că această distanță este mai mare de 100 km, luați un creion și o hârtie cu un suspin și luați " hârtie "scrisoare – e-mail mai mult de 100 km, nu merge.

Situație absurdă? Dar exact așa se întâmplă acum cu transferul de date cuantice pe liniile de comunicații prin fibră optică – distanța de transmisie înregistrată aici este încă puțin mai mult de o sută de kilometri, iar operarea stabilă pe linii normale, non-record este în general limitată la 40 km. Aceasta înseamnă, de exemplu, că în Moscova se poate organiza o linie de comunicație cuantică, dar nu este nimic de gândit la transferul de date către Sankt-Petersburg. Care sunt perspectivele criptografiei cuantice în domeniul telecomunicațiilor?

Bancnote și note

Istoria criptografiei cuantice a început la sfârșitul anilor 1960, când un student de la Universitatea Columbia, Stephen Wisner, a prezentat colegului său Charles Bennet ideea de bancnote cuantice, care în principiu nu poate fi falsificată, deoarece este exclusă de legile naturii. Ideea era de a plasa mai multe obiecte cuantice pe fiecare bancnotă. Acestea pot fi, de exemplu, capcane cu fotoni, fiecare fiind polarizată la un anumit unghi într-una din cele două baze – fie la un unghi de 0 și 90, fie la 45 și 135 de grade. Numărul de serie este tipărit pe bancnotă, dar combinația de polarizări și baze corespunzătoare numărului (filtrelor cu care polarizarea este atașată sau măsurată prin polarizare) este cunoscută numai băncii. Pentru a falsifica o astfel de bancnotă, contrafăcătorul trebuie să măsoare polarizarea fiecărui foton, dar nu știe în ce măsură fiecare dintre ele este polarizat. Dacă face o greșeală cu baza, atunci polarizarea fotonului se va schimba, iar bancnota contrafăcută va avea o polarizare greșită. Banii cuantic nu au apărut încă, deoarece până acum nu a fost posibil să se creeze capcane suficient de fiabile pentru fotoni.Cu toate acestea, în același timp, Vizner a propus utilizarea aceluiași principiu pentru a proteja informațiile, iar această tehnologie este acum aproape de implementare.

Ideile lui Vizner, totuși, nu au fost recunoscute imediat. Înapoi la începutul anilor 1970, Wizner a trimis articolul despre criptografia cuantică în jurnal Tranzacții IEEE privind teoria informațiilor, dar pentru editorii și recenzenții, limba articolului pare prea complicată. Doar în 1983, acest articol a fost publicat în jurnal Știri ACM News Sigact, și ea a devenit prima publicație în istorie cu privire la fundamentele criptografiei cuantice.

Inițial, Vizner și Bennett au considerat opțiunea de a transmite mesaje criptate folosind "purtători" cuantice, în timp ce interceptarea ar strica mesajul și ar face imposibilă citirea acestuia. Apoi au venit cu o versiune imbunatatita – folosirea canalelor cuantice pentru transferul unor chei de criptare "cifrate-notebook-uri" unice.

Plic închis

Sistemele de comunicații cuantice se bazează pe utilizarea proprietăților cuantice ale purtătorilor de informații. Dacă în rețelele de telecomunicații convenționale datele sunt codificate în amplitudinea și frecvența radiațiilor sau oscilațiilor electrice, în rețelele cuantice este codificată în amplitudinea câmpului electromagnetic sau în polarizarea fotonilor.Bineînțeles, vor fi necesare echipamente mult mai costisitoare și mai complexe, dar aceste trucuri sunt justificate: faptul că transmiterea de informații prin intermediul canalelor cuantice oferă o protecție de sută la sută împotriva "interceptării". Conform legilor mecanicii cuantice, măsurarea proprietăților unui obiect cuantic, de exemplu, măsurarea polarizării unui foton modifică în mod inevitabil starea sa. Destinatarul va vedea că starea fotonilor s-a schimbat și acest lucru nu poate fi prevenit în principiu – acestea sunt legile fundamentale ale naturii. Acest lucru poate fi descris cu o astfel de analogie: imaginați-vă că trimiteți o scrisoare într-un plic închis. Dacă cineva deschide scrisoarea și o citește, culoarea hârtiei se va schimba și destinatarul va înțelege în mod inevitabil că al treilea a citit mesajul.

Primul protocol

Primul protocol al distribuției cheilor cuantice a fost creat de Gilles Brassard și Charles Bennett în 1984 și a fost numit BB84. Pentru transmisia de date, fotoni sunt folosiți, polarizați în patru direcții diferite, în două baze – la un unghi de 0 și 90 de grade (indicat de semnul "+") sau de 45 și 135 de grade ("×").

Expeditorul mesajului A (în mod tradițional se numește "Alice") polarizează fiecare foton într-o bază aleasă aleatoriu și apoi îl trimite destinatarului B – "Bob".Bob măsoară fiecare foton, de asemenea, în mod aleator ales. După aceea, Alice, printr-un canal deschis, îi spune lui Bob secvența bazelor sale, iar Bob aruncă bazele greșite (neegalate) și îi spune lui Alice ce date nu au "trecut". În același timp, valorile obținute ca urmare a măsurătorilor nu sunt discutate de canalul deschis.

Schimbul de informații arată astfel: dacă un spion (el este de obicei numit "Eva", din engleză trage cu urechea – ascultare) vrea să intercepteze cheia secretă, va trebui să măsoare polarizarea fotonilor. Din moment ce nu cunoaște baza, va trebui să o definească în mod aleatoriu. Dacă baza este determinată incorect, atunci Eva nu va primi datele corecte și, în plus, va schimba polarizarea fotonului. Erori care apar vor detecta imediat atât Alice, cât și Bob.

Cele mai valoroase informații sunt cheile de criptare. Dacă cheia are o lungime egală cu mesajul în sine sau chiar mai mult, atunci este imposibil în principiu să decriptați mesajul fără a cunoaște cheia. Rămâne să se organizeze transferul securizat al cheilor, iar acesta este exact ceea ce oferă liniile cuantice de comunicare. Cu toate acestea, în timp ce distanța de transmisie a datelor pentru astfel de linii este prea scurtă: datorită zgomotului termic, pierderilor, defectelor fibrei optice, fotonii nu "supraviețuiesc" la distanțe mari.

Cutile cuantice

Multe echipe de cercetare din întreaga lume dezvoltă dispozitive pentru "recuperarea" datelor cuantice – așa-numitele repetoare cuantice care pot "lumina" fotoni. Un grup de cercetători din Centrul Quantum din Rusia, sub conducerea profesorului Alexander Lvovsky, a găsit o modalitate de a restabili proprietățile fotonilor și a confirmat experimental eficiența acestei metode. Oamenii de știință au studiat fenomenul entanglementului cuantic, în care sunt conectate stările a două sau mai multe obiecte – atomi, fotoni, ioni. Dacă se măsoară starea unei perechi de fotoni încurcați, atunci starea celui de-al doilea va deveni imediat definită, iar stările ambelor vor fi conectate fără echivoc – de exemplu, dacă un foton este polarizat vertical, atunci al doilea este orizontal și invers.

Autopsie după ureche

Primul experiment de succes cu privire la transmiterea datelor cuantice a fost realizat de Bennett și Gilles Brassard la sfârșitul lunii octombrie 1989, când o comunicație cuantică sigură a fost instalată la o distanță de 32,5 cm. Dispozitivul a schimbat polarizarea fotonilor, dar sursa de alimentare a fost zgomotos diferit în funcție de ce polarizare a fost. Astfel, oamenii din jur puteau distinge liber între zerouri și cei de urechi.După cum scrie Brassard, "prototipul nostru a fost protejat de orice suporter care ar fi fost surd." În octombrie 2007, metodele de criptografie cuantică au fost utilizate pentru prima dată într-un proiect la scară largă. Sistem de comunicare sigure cuantic dezvoltat de o companie elvețiană Id quantique, a fost folosit pentru transmiterea datelor privind rezultatele votării în alegerile parlamentare din cantonul elvețian de la Geneva. Astfel, vocile elvețianului erau protejate ca și alte informații.

"Dacă distribuiți perechi de fotoni împrăștiați între doi parteneri de la distanță, atunci ambii obțin aceeași secvență, care poate fi folosită ca o cheie de criptare, deoarece este o secvență cu adevărat aleatoare, care nu poate fi ghicită sau calculată. corelația dintre ele va fi pierdută și cheia nu va mai fi eliminată din ele ", explică Alexander Lvovsky.

Provocarea este să păstrăm starea de entuziasm cuantic atunci când transmitem pe distanțe lungi. Până acum, aceasta a fost o mare problemă. Nu a fost încă posibil să se transmită fotoni încurcați pe o distanță mai mare de 100 km prin intermediul rețelelor cu fibră optică. Pe bdespreDistanțele lungi, datele cuantice sunt pur și simplu pierdute în zgomot.În rețelele de telecomunicații convenționale, se folosesc diferite tipuri de repeatoare sau amplificatoare de semnal, care amplifică amplitudinea semnalului și elimină zgomotul, dar în cazul datelor cuantice această abordare nu funcționează. Un foton nu poate fi "întărit", atunci când încearcă să-și măsoare parametrii, starea fotonului se va schimba, ceea ce înseamnă că toate avantajele criptografiei cuantice dispar.

Repetoare cuantice

Oamenii de știință din diferite țări încearcă să dezvolte o tehnologie a repeaterilor cuantice – dispozitive care pot "recrea" informații cuantice fără a le distruge. Grupul Lviv pare să fi găsit calea care poate duce la succes. În 2002, el și colegii săi au descoperit un efect curios, numit "cataliză cuantică", prin analogie cu un termen chimic, unde anumite reacții pot avea loc numai în prezența unei substanțe speciale – un catalizator. În experimentul lor, pulsul luminos a fost amestecat cu un singur foton "auxiliar" pe o oglindă parțial transmisivă. Apoi fotonul a fost "îndepărtat". Se pare că starea pulsului de lumină nu ar trebui să se schimbe. Dar, datorită proprietăților paradoxale ale interferențelor cuantice, fotonul a schimbat-o în direcția "îmbunătățirii" proprietăților cuantice.

"În acel moment, acest fenomen nu arăta decât un fenomen ciudat, numeroase în fizica cuantică. Acum se dovedește că are o aplicație practică importantă – vă permite să reconstruiți entanglementul stărilor cuantice de lumină", ​​spune Alexander Lvovsky.

În noua sa lucrare, al cărei raport a fost publicat în jurnal Fotonica naturii, oamenii de stiinta au invatat sa reintegreze fotonii "dezvaluiti". Ca sursă de fotoni încurcați în experiment, au folosit un cristal neliniar de titanil fosfat de potasiu cu o structură de domeniu periodic. El a fost "concediat" de impulsuri picosecunde de lumină generate de un laser cu titan-safir. Ca rezultat, s-au născut perechi complexe de fotoni în cristal, pe care oamenii de știință i-au trimis la două canale optice diferite. În unul dintre ele, lumina a fost supusă unei atenuări de 20 de ori cu sticla colorată, astfel încât nivelul de entanglement a scăzut la aproape zero. Aceasta corespunde unui nivel de pierdere de 65 km de cablu convențional cu fibră optică. Apoi, semnalul atenuat a fost trimis la splitter-ul fasciculului, unde a suferit procesul de cataliză cuantică. Oamenii de știință din grupul Lvov numesc acest proces "distilare cuantică", deoarece mai puțini fotoni sunt lăsați la ieșire,dar nivelul lor de entanglement creste aproape la original. "Din câte un milion de perechi de fotoni slabi se încurcă, în același timp, nivelul corelației este restabilit la cel primar și, deși rata de transfer a datelor scade într-o oarecare măsură, putem obține o conexiune stabilă la o distanță mult mai mare", spune Alexander Lvov, un coleg de la Lvov.

Nu doar pentru spioni

Pe baza acestei tehnologii, va fi posibilă crearea unor repetoare cuantice adecvate pentru uz comercial. "Există și alte metode pentru acest lucru, dar nu este clar cum să le folosim în condițiile surselor existente de entanglementare cuantică, se pare că este disproporționat de costisitor, probabil că repetorul nostru va fi mai simplu și mai ieftin", spune Lvovski. În opinia sa, în condiții favorabile, primul prototip al unui astfel de repetor poate fi creat în patru până la cinci ani. Și apariția sa pe piață poate deschide calea unei aplicări cu adevărat în masă a criptografiei cuantice, care va schimba serios viața nu numai a armatei sau a bancherilor.

"Aceasta se referă la fiecare dintre noi. Criptografia cuantică nu este doar un fel de secrete militare sau de spionaj, acestea sunt numere de cărți de credit, acestea sunt înregistrări medicale.Fiecare dintre noi are multe informații confidențiale, și cu cât lumea devine mai deschisă, cu atât mai importantă este pentru noi să controlam accesul la ea ", spune Lvovski. informații.


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: