Wyjaśnienie: Czym jest komunikacja kwantowa?

Pani Tech

To drugie z serii wyjaśnień dotyczących technologii kwantowej. Pozostałe dwa dotyczą obliczeń kwantowych i kryptografii post-kwantowej.

Zaledwie tydzień mija bez doniesień o jakimś nowym mega-haku, który ujawnił ogromne ilości poufnych informacji, od danych kart kredytowych i dokumentacji medycznej po cenną własność intelektualną firm. Zagrożenie stwarzane przez cyberataki zmusza rządy, wojsko i przedsiębiorstwa do poszukiwania bezpieczniejszych sposobów przesyłania informacji.

Obecnie wrażliwe dane są zwykle szyfrowane, a następnie przesyłane przez kable światłowodowe i inne kanały wraz z kluczami cyfrowymi potrzebnymi do odszyfrowania informacji. Dane i klucze są wysyłane jako klasyczne bity — strumień impulsów elektrycznych lub optycznych reprezentujących: jeden s i 0 s. A to czyni ich bezbronnymi. Sprytni hakerzy mogą odczytywać i kopiować bity w tranzycie bez pozostawiania śladów.

Komunikacja kwantowa wykorzystuje prawa fizyki kwantowej do ochrony danych. Prawa te pozwalają cząstkom — zazwyczaj fotonom światła do przesyłania danych przez kable optyczne — przyjąć stan superpozycji, co oznacza, że ​​mogą reprezentować wiele kombinacji jeden oraz 0 równocześnie. Cząstki są znane jako bity kwantowe lub kubity .

Piękno kubitów z perspektywy bezpieczeństwa cybernetycznego polega na tym, że jeśli haker próbuje obserwować je podczas transportu, ich superdelikatny stan kwantowy załamuje się do jeden lub 0 . Oznacza to, że haker nie może manipulować kubitami bez pozostawienia charakterystycznego znaku aktywności.

Niektóre firmy wykorzystały tę właściwość do tworzenia sieci do przesyłania bardzo wrażliwych danych w oparciu o proces zwany dystrybucją klucza kwantowego lub QKD. Teoretycznie przynajmniej te sieci są bardzo bezpieczne.

Co to jest dystrybucja klucza kwantowego?

QKD polega na wysyłaniu zaszyfrowanych danych jako klasycznych bitów przez sieci, podczas gdy klucze do odszyfrowania informacji są kodowane i przesyłane w stanie kwantowym za pomocą kubitów.

Opracowano różne podejścia lub protokoły do ​​wdrażania QKD. Powszechnie używany znany jako BB84 działa w ten sposób. Wyobraź sobie dwie osoby, Alicję i Boba. Alicja chce bezpiecznie przesłać dane do Boba. W tym celu tworzy klucz szyfrowania w postaci kubitów, których stany polaryzacji reprezentują poszczególne wartości bitowe klucza.

Kubity można wysłać do Boba kablem światłowodowym. Porównując pomiary stanu części tych kubitów — proces znany jako przesiewanie kluczy — Alicja i Bob mogą ustalić, że posiadają ten sam klucz.

Gdy kubity podróżują do miejsca przeznaczenia, kruchy stan kwantowy niektórych z nich załamie się z powodu dekoherencji . Aby to wyjaśnić, Alicja i Bob przeprowadzają następnie proces znany jako destylacja klucza, który polega na obliczeniu, czy poziom błędów jest wystarczająco wysoki, aby sugerować, że haker próbował przechwycić klucz.

Jeśli tak jest, porzucają podejrzany klucz i generują nowe, dopóki nie będą pewni, że współdzielą bezpieczny klucz. Alicja może następnie użyć swojego klucza do zaszyfrowania danych i wysłać je w klasycznych bitach do Boba, który używa swojego klucza do odszyfrowania informacji.

Już zaczynamy widzieć więcej sieci QKD. Najdłuższy jest w Chinach, które mogą pochwalić się połączeniem naziemnym o długości 2032 km (1263 mil) między Pekinem a Szanghajem. Banki i inne firmy finansowe już używają go do przesyłania danych. W Stanach Zjednoczonych start-up o nazwie Quantum Xchange zawarł umowę dającą mu dostęp do 500 mil (805 kilometrów) kabla światłowodowego biegnącego wzdłuż wschodniego wybrzeża w celu stworzenia sieci QKD. Początkowy etap połączy Manhattan z New Jersey, gdzie wiele banków ma duże centra danych.

Chociaż QKD jest stosunkowo bezpieczny, byłoby jeszcze bezpieczniej, gdyby mógł liczyć na wzmacniacze kwantowe.

Co to jest wzmacniacz kwantowy?

Materiały w kablach mogą pochłaniać fotony, co oznacza, że ​​zazwyczaj mogą podróżować nie dłużej niż kilkadziesiąt kilometrów. W klasycznej sieci wzmacniacze w różnych punktach kabla są używane do wzmacniania sygnału, aby to skompensować.

Sieci QKD wymyśliły podobne rozwiązanie, tworząc zaufane węzły w różnych punktach. Na przykład sieć Pekin-Szanghaj ma ich 32. Na tych stacjach drogi klucze kwantowe są deszyfrowane na bity, a następnie ponownie szyfrowane w nowym stanie kwantowym w celu ich podróży do następnego węzła. Ale oznacza to, że zaufanym węzłom nie można naprawdę ufać: haker, który naruszył bezpieczeństwo węzłów, może niepostrzeżenie skopiować bity, a tym samym uzyskać klucz, podobnie jak firma lub rząd prowadzący węzły.

Idealnie, potrzebujemy wzmacniaczy kwantowych lub stacji nawigacyjnych z procesorami kwantowymi, które umożliwiłyby zachowanie kluczy szyfrowania w postaci kwantowej, gdy są wzmacniane i wysyłane na duże odległości. Naukowcy wykazali, że w zasadzie można zbudować takie wzmacniacze, ale nie byli jeszcze w stanie wyprodukować działającego prototypu.

Jest jeszcze jeden problem z QKD. Podstawowe dane są nadal przesyłane jako zaszyfrowane bity w konwencjonalnych sieciach. Oznacza to, że haker, który naruszył zabezpieczenia sieci, może niepostrzeżenie skopiować bity, a następnie użyć potężnych komputerów, aby spróbować złamać klucz użyty do ich zaszyfrowania.

Najpotężniejsze algorytmy szyfrowania są dość solidne, ale ryzyko jest wystarczająco duże, aby zachęcić niektórych badaczy do pracy nad alternatywnym podejściem znanym jako teleportacja kwantowa.

Co to jest teleportacja kwantowa?

Może to brzmieć jak science fiction, ale to prawdziwa metoda, która polega na przesyłaniu danych w całości w formie kwantowej. Podejście to opiera się na zjawisku kwantowym znanym jako splątanie.

Teleportacja kwantowa polega na tworzeniu par splątanych fotonów, a następnie wysyłaniu jednej z każdej pary do nadawcy danych, a drugiej do odbiorcy. Kiedy Alicja otrzymuje swój splątany foton, pozwala mu wchodzić w interakcję z kubitem pamięci, który przechowuje dane, które chce przesłać do Boba. Ta interakcja zmienia stan jej fotonu, a ponieważ jest on splątany z Bobem, interakcja natychmiast zmienia również stan jego fotonu.

W efekcie to teleportuje dane w kubicie pamięci Alicji z jej fotonu do Boba. Poniższa grafika przedstawia proces bardziej szczegółowo:

Naukowcy z USA, Chin i Europy ścigają się, aby stworzyć sieci teleportacyjne zdolne do rozprowadzania splątanych fotonów. Jednak dostosowanie ich do skali będzie ogromnym wyzwaniem naukowym i inżynieryjnym. Wiele przeszkód obejmuje znalezienie niezawodnych sposobów na wytwarzanie dużej ilości połączonych fotonów na żądanie i utrzymywanie ich splątania na bardzo dużych odległościach – coś, co ułatwiłyby wzmacniacze kwantowe.

Mimo to te wyzwania nie powstrzymały badaczy przed marzeniami o przyszłym Internecie kwantowym.

Czym jest internet kwantowy?

Podobnie jak tradycyjny internet, byłaby to ogólnoświatowa sieć sieci. Duża różnica polega na tym, że podstawowe sieci komunikacyjne byłyby sieciami kwantowymi.

Nie zastąpi internetu, jaki znamy dzisiaj. Zdjęcia kotów, teledyski i wiele niewrażliwych informacji biznesowych będą nadal krążyć w postaci klasycznych bitów. Jednak internet kwantowy spodoba się organizacjom, które muszą chronić szczególnie cenne dane. Mógłby to być również idealny sposób na połączenie informacji przepływających między komputerami kwantowymi, które coraz częściej są udostępniane za pośrednictwem chmury obliczeniowej.

Chiny są w awangardzie dążeń do Internetu kwantowego. Kilka lat temu wystrzelił dedykowanego satelitę do komunikacji kwantowej o nazwie Micius, a w 2017 roku satelita pomógł zorganizować pierwszą na świecie międzykontynentalną, zabezpieczoną QKD wideokonferencję między Pekinem a Wiedniem. Stacja naziemna już łączy satelitę z siecią naziemną Pekin-Szanghaj. Chiny planują wystrzelić więcej satelitów kwantowych, a kilka miast w kraju planuje budowę miejskich sieci QKD.

Niektórzy badacze ostrzegają, że nawet w pełni kwantowy internet może ostatecznie stać się podatny na nowe ataki, które same w sobie są kwantowe. Jednak w obliczu ataku hakerskiego, który nęka dzisiejszy Internet, firmy, rządy i wojsko będą nadal badać kuszącą perspektywę bezpieczniejszej alternatywy kwantowej.

ukryć