Fizyka kwantowa oferuje zupełnie nowy sposób ochrony informacji. Dlaczego jest to potrzebne, czy teraz nie można stworzyć bezpiecznego kanału komunikacji? Oczywiście, że możesz. Ale komputery kwantowe zostały już stworzone i w momencie, gdy staną się wszechobecne, nowoczesne algorytmy szyfrowania będą bezużyteczne, ponieważ te potężne komputery będą w stanie je złamać w ułamku sekundy. Komunikacja kwantowa umożliwia szyfrowanie informacji za pomocą fotonów - cząstek elementarnych.
Takie komputery, po uzyskaniu dostępu do kanału kwantowego, w taki czy inny sposób zmienią rzeczywisty stan fotonów. A próba zdobycia informacji uszkodzi to. Szybkość przesyłania informacji jest oczywiście mniejsza niż w przypadku innych obecnie istniejących kanałów, na przykład w komunikacji telefonicznej. Ale komunikacja kwantowa zapewnia znacznie większy poziom tajności. To oczywiście bardzo duży plus. Zwłaszcza w dzisiejszym świecie, w którym cyberprzestępczość rośnie każdego dnia.
Komunikacja kwantowa dla manekinów
Gdy poczta dla gołębi została zastąpiona przez telegraf, z kolei telegraf został zastąpiony przez radio. Oczywiście dzisiaj nie zniknął, ale pojawiły się inne nowoczesne technologie. Jeszcze dziesięć lat temu Internet nie był tak rozpowszechniony jak dzisiaj i dość trudno było się do niego dostać – trzeba było chodzić do klubów internetowych, kupować bardzo drogie karty itp. Dziś nie żyjemy godzinę bez internetu i czekamy na 5G.
Ale kolejny nowy standard komunikacji nie rozwiąże problemów, z którymi boryka się obecnie organizacja wymiany danych za pomocą Internetu, odbieranie danych z satelitów z osiedli na innych planetach itp. Wszystkie te dane muszą być bezpiecznie chronione. A to można zorganizować za pomocą tak zwanego splątania kwantowego.
Co to jest wiązanie kwantowe? W przypadku „manekinów” zjawisko to tłumaczy się połączeniem różnych cech kwantowych. Jest zachowany nawet wtedy, gdy cząstki są od siebie oddalone od siebie. Zaszyfrowany i przesłany za pomocą splątania kwantowego klucz nie dostarczy żadnych cennych informacji hakerom, którzy próbują go przechwycić. Dostaną tylko inne numery, ponieważ zmieni się stan systemu z interwencją z zewnątrz.
Ale nie było możliwe stworzenie ogólnoświatowego systemu transmisji danych, ponieważ po kilkudziesięciu kilometrach sygnał zanikał. Satelita, wystrzelony w 2016 roku, pomoże wdrożyć schemat transferu klucza kwantowego na odległości ponad 7000 km.
Pierwsze udane próby użycia nowego połączenia
Pierwszy protokół kryptografii kwantowej uzyskano w 1984 rokud. Dziś ta technologia jest z powodzeniem stosowana w sektorze bankowym. Znane firmy oferują stworzone przez siebie kryptosystemy.
Kwannowa linia komunikacyjna jest realizowana za pomocą standardowego kabla światłowodowego. W Rosji utworzono pierwszy bezpieczny kanał między oddziałami Gazprombanku w Nowym Czeriomuszki i na Korowym Wał. Łączna długość to 30,6 km, błędy występują podczas transmisji kluczy, ale ich procent jest minimalny - tylko 5%.
Chiny uruchamiają satelitę komunikacji kwantowej
Pierwszy na świecie taki satelita został wystrzelony w Chinach. Rakieta Long March-2D została wystrzelona 16 sierpnia 2016 roku z miejsca startu Jiu Quan. Satelita ważący 600 kg będzie latał przez 2 lata na orbicie synchronicznej ze słońcem, na wysokości 310 mil (lub 500 km) w ramach programu „Eksperymenty kwantowe w kosmicznej skali”. Okres obrotu urządzenia wokół Ziemi to półtorej godziny.
Satelita komunikacji kwantowej nazywa się Micius lub "Mo-Tzu", na cześć filozofa żyjącego w V wieku naszej ery. i, jak się powszechnie uważa, pierwszymi, którzy przeprowadzili eksperymenty optyczne. Naukowcy zamierzają zbadać mechanizm splątania kwantowego i przeprowadzić teleportację kwantową między satelitą a laboratorium w Tybecie.
Ta ostatnia przesyła stan kwantowy cząstki na określoną odległość. Do realizacji tego procesu potrzebna jest para splątanych (innymi słowy połączonych) cząstek znajdujących się w pewnej odległości od siebie. Według fizyki kwantowej są w stanie uchwycić informacje o stanie partnera, nawet gdy są od siebie daleko. Oznacza to, że możesz zapewnićwpływ na cząstkę znajdującą się w przestrzeni kosmicznej, oddziałujący na jej partnera, który znajduje się w pobliżu, w laboratorium.
Satelita stworzy dwa splątane fotony i wyśle je na Ziemię. Jeśli doświadczenie się powiedzie, będzie to początek nowej ery. Dziesiątki takich satelitów mogłyby nie tylko zapewnić wszechobecność Internetu kwantowego, ale także komunikację kwantową w kosmosie dla przyszłych osiedli na Marsie i Księżycu.
Dlaczego potrzebujemy takich satelit
Ale po co nawet kwantowy satelita komunikacyjny? Czy konwencjonalne satelity już istnieją? Faktem jest, że te satelity nie zastąpią zwykłych. Zasadą komunikacji kwantowej jest kodowanie i ochrona istniejących konwencjonalnych kanałów transmisji danych. Z jego pomocą np. zapewniono bezpieczeństwo już podczas wyborów parlamentarnych w 2007 roku w Szwajcarii.
The Battelle Memorial Institute, organizacja badawcza non-profit, wymienia informacje między oddziałami w USA (Ohio) i Irlandii (Dublin) za pomocą splątania kwantowego. Jego zasada opiera się na zachowaniu fotonów - elementarnych cząstek światła. Za ich pomocą informacje są kodowane i wysyłane do adresata. Teoretycznie nawet najostrożniejsza próba ingerencji zostawi ślad. Klucz kwantowy zmieni się natychmiast, a próba hakera zakończy się bezsensownym zestawem znaków. Dlatego wszystkie dane, które będą przesyłane przez te kanały komunikacyjne, nie mogą zostać przechwycone ani skopiowane.
Satelitapomoże naukowcom przetestować dystrybucję kluczy między stacjami naziemnymi a samym satelitą.
Komunikacja kwantowa w Chinach będzie realizowana dzięki kablom światłowodowym o łącznej długości 2 tys. km i łączącym 4 miasta od Szanghaju po Pekin. Serie fotonów nie mogą być przesyłane w nieskończoność, a im większa odległość między stacjami, tym większa szansa, że informacje zostaną uszkodzone.
Po pewnej odległości sygnał zanika, a naukowcy potrzebują sposobu na aktualizowanie sygnału co 100 km, aby utrzymać prawidłową transmisję informacji. W kablach osiąga się to dzięki sprawdzonym węzłom, w których klucz jest analizowany, kopiowany przez nowe fotony i porusza się dalej.
Trochę historii
W 1984 r. Brassard J. z Uniwersytetu w Montrealu i Bennet C. z IBM zasugerowali, że fotony można wykorzystać w kryptografii w celu uzyskania bezpiecznego kanału podstawowego. Zaproponowali prosty schemat kwantowej redystrybucji kluczy szyfrujących, który nazwano BB84.
Ten schemat wykorzystuje kanał kwantowy, przez który informacje są przesyłane między dwoma użytkownikami w postaci spolaryzowanych stanów kwantowych. Haker podsłuchujący może próbować zmierzyć te fotony, ale nie może tego zrobić, jak wspomniano powyżej, bez ich zniekształcenia. W 1989 roku w IBM Research Center Brassard i Bennet stworzyli pierwszy na świecie działający kwantowy system kryptograficzny.
Co oznacza kwantowo-optycznysystem kryptograficzny (KOKS)
Główne parametry techniczne COKS-a (stopa błędów, szybkość przesyłania danych itp.) są określone przez parametry elementów tworzących kanał, które tworzą, przesyłają i mierzą stany kwantowe. Zwykle COKS składa się z części odbiorczej i nadawczej, które są połączone kanałem transmisyjnym.
Źródła promieniowania są podzielone na 3 klasy:
- lasery;
- mikrolasery;
- diody elektroluminescencyjne.
Do transmisji sygnałów optycznych jako medium używane są światłowodowe diody LED, połączone w kablach o różnych konstrukcjach.
Natura kwantowej tajemnicy komunikacyjnej
Przechodząc od sygnałów, w których przesyłana informacja jest zakodowana przez impulsy zawierające tysiące fotonów, do sygnałów, w których średnio jest mniej niż jeden na impuls, w grę wchodzą prawa kwantowe. To właśnie zastosowanie tych praw z klasyczną kryptografią zapewnia tajemnicę.
Zasada nieoznaczoności Heisenberga jest wykorzystywana w kwantowych urządzeniach kryptograficznych i dzięki niej wszelkie próby zmiany systemu kwantowego wprowadzają w nim zmiany, a formacja wynikająca z takiego pomiaru jest określana przez stronę odbierającą jako fałsz.
Czy kryptografia kwantowa jest w 100% odporna na włamania?
Teoretycznie tak, ale rozwiązania techniczne nie są do końca niezawodne. Atakujący zaczęli używać wiązki laserowej, którą oślepiają detektory kwantowe, po czym przestają reagować nakwantowe właściwości fotonów. Czasami używane są źródła wielofotonowe i hakerzy mogą być w stanie pominąć jedno z nich i zmierzyć identyczne.
