;
Кейсы 2 декабря 2021

Азбука квантовых коммуникаций: 28 терминов, которые помогут разобраться в технологии

Далее

Из-за большой вероятности кибератак на объекты с критической инфраструктурой государства готовы вкладывать деньги в защиту критических коммуникаций. В свою очередь, именно квантовые коммуникации воспринимаются как нечто бескомпромиссное и действительно защищенное. Специально для «Хайтека» Юрий Курочкин, технический директор QRate, разобрал основные термины и явления из области квантовых коммуникаций.

А

Аутентификация — определение субъекта передачи информации по принципу «свой — чужой». Классическая аутентификация с открытым ключом подвержена атакам с квантовым компьютером. Квантовые ключи обеспечивают защиту от атак с любой вычислительной мощностью. Реальное знание пароля и есть аутентификация, основная задача которой — убедить собеседника в собственной личности.

Б

Блокчейн, квантово-защищенный — непрерывная цепочка блоков информации, использующая квантовую или постквантовую криптографию (или комбинирущая их). Такой вид блокчейна позволяет сделать подписи и консенсус устойчивыми ко взлому со стороны квантового компьютера. Первыми в мире квантово-защищенный блокчейн разработали ученые из Российского квантового центра и QRate.

В

Волоконно-оптическая линия связи — это вид системы передачи данных, при котором информация передается по оптическому волокну. Оптоволоконная связь имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами передачи информации: она позволяет передавать данные на большие расстояния без использования усилителей, а скорость передачи настолько высока, что остается недостижимой для других систем связи. Широко используется в телекоммуникационных сетях разных уровней, а также в промышленности, энергетике, медицине, системах безопасности и других областях.

Г

Генератор случайных чисел, квантовый — один из основных компонентов системы квантового распределения ключей, который используется для формирования криптографического ключа. В отличие от математического и аппаратного генераторов случайных чисел, квантовый — истинно случаен, а значит, устойчив к атакам квантового компьютера. Помимо квантового распределения ключей, квантовый генератор случайных чисел может использоваться в инженерных расчетах и финансовом моделировании (метод Монте-Карло), азартных играх, а также для ускорения машинного обучения.


Методы Монте-Карло — группа численных методов для изучения случайных процессов. Процесс в этом методе описывается математической моделью с использованием генератора случайных величин, модель многократно обсчитывается, а на основе полученных данных вычисляются вероятностные характеристики рассматриваемого процесса.


Д

Дорожная карта по квантовым коммуникациям — документ, утвержденный Правительственной комиссией по цифровому развитию РФ в сентябре 2020 года, он описывает пошаговое развитие квантовых коммуникаций в стране до 2024 года. В рамках дорожной карты планируется создание интернета вещей на базе квантовых вычислений и внедрение магистральных квантовых сетей для безопасной передачи данных. Технология предполагает квантовое распределение ключей шифрования при передаче данных по волоконно-оптической связи. Одним из первых пилотных проектов стало строительство магистральной квантовой сети «Москва — Санкт-Петербург» протяженностью около 800 км. За реализацию дорожной карты отвечает ОАО «РЖД» совместно с ведущими экспертами и научными организациями.

Е

E91 протокол квантового распределения ключей с помощью квантовой запутанности. Был предложен Артуром Экертом в 1991 году. Играет большое значение при доказательстве секретности квантовых коммуникаций. Прототип системы квантовой криптографии на основе этого протокола был сделан в Сингапурском центре квантовых технологий CQT.

Ж

Жиль Брассар канадский физик-теоретик, который в 1984 году совместно с Чарльзом Х. Беннеттом разработал первый в мире протокол квантового распределения ключей, названный в их честь, Bennett-Brassard 1984 (BB84). Помимо этого, Жиль Брассар — автор большого количества работ по квантовой телепортации, квантовой запутанности и квантовой криптографии. Сейчас только этот протокол в модификации Decoy-state BB84 имеет полное доказательство от наиболее общих атак, не только индивидуальных, но и коллективных.

Жиль Брассар

З

«Звезда» — топология сети квантового распределения ключей, берет истоки в сфере больших электронно-вычислительных машин, где головной компьютер, выполняющий функции сервера, получает и обрабатывает всю информацию с периферийных устройств. По сравнению с другими топологиями, «Звезда» является наиболее дешевой во внедрении. Однако есть и недостатки, например, нарушение связи при выходе из строя сервера.

Топология «Звезда»

И

Интернет, квантовый — сеть, соединяющая квантовые компьютеры и другие устройства, использующие квантовые технологии. В отличие от традиционного интернета, квантовый использует данные, закодированные в кубитах. Они же способны удерживать два состояния одновременно, за счет чего достигается максимальная защита пользовательской информации.

К

Криптография, квантовая — метод защиты коммуникаций, основанный на принципах квантовой физики. В отличие от традиционной криптографии, использующей математические методы, здесь данные переносятся с помощью кубитов. Ее реализуют при помощи фотонов в оптоволоконных линиях или по воздушному пространству.

Л

Линия квантовой связи — это совокупность методов для передачи информации в квантовых состояниях из одной точки в другую. В 2016 году в России провели первую в стране городскую линию квантовой связи протяженностью около 30 км, которая соединила два отделения «Газпромбанка» в Москве. Позже, летом 2021 года, запустилась вторая линия квантовой связи между Москвой и Санкт-Петербургом протяженностью 700 км, став самой крупной в Европе и второй по величине в мире.

М

Миниатюризация — современный тренд, заключающийся в создании устройств уменьшенного размера и массы. Она применима во всех направлениях квантовых технологий. В частности, уменьшить размер квантового компьютера позволит новая технология электронного охлаждения, которая заменит смеси криогенных жидкостей. В коммуникациях уменьшение устройства для квантового распределения ключей позволит сократить стоимость устройства в 10–15 раз.

Н

Нелокальность — возможность мгновенной корреляции (взаимосвязи) одной системы или частицы к другой со скоростью, превосходящей скорость света. На основании данного явления возможно реализовать квантовую телепортацию, когда передача двух бит информации может очень точно передать кубит, требующий для своего описания гораздо больше информации.

О

Оптический сигнал оптическое излучение, один или несколько параметров которого изменяются в соответствии с передаваемой информацией.

П

Протокол квантовых коммуникаций свод правил, по которым осуществляется приготовление и измерение квантовых состояний света. Первый в мире протокол квантовой криптографии разработали ученые Чарльз Беннетт и Жиль Брассар в 1984 году.

Квантовый протокол BB84

Р

Распределение ключей, квантовое — метод передачи ключа, в основе которого лежит процесс коммуникации двух сторон. Он основан на создании общего случайного ключа, который известен только двум сторонам, соединенным по открытому каналу связи. Отправитель шифрует данные, кодируя их в состояния фотонов — кубиты, и передает получателю, который, в свою очередь, декодирует полученную информацию. Квантовое распределение ключей позволяет легко обнаружить, были ли передаваемые данные скомпрометированы или имела ли место попытка взлома передаваемой информации.

С

Скорость генерации ключа — количество бит секретного ключа, генерируемая за одну секунду. Это основной параметр квантового распределения ключей. Скорость влияет на количество генерируемых ключей и на то, насколько эффективно ключи используются. В идеале количество бит ключа должно быть равно количеству бит сообщения — одноразовый блокнот. Но так как скорость генерации ключей — десятки бит в секунду, то используется компромиссная схема, например, один 256-битный ключ на несколько гигабайт информации. Российские системы квантового распределения ключей находятся в тройке мировых лидеров по скорости генерации ключей. На первом месте Toshiba — 300 кбит/с, на втором — QuantumCtek с 80 кбит/с и на третьем — отечественная компания QRate с 50 кбит/с. Далее идет idQuantique со скоростью 3 кбит/с.

Т

Телепортация, квантовая — это передача квантового состояния на какое-либо расстояние при помощи двух составляющих: разделенной в пространстве запутанной пары и классического канала связи. Квантовое состояние разрушается в точке отправления при проведении измерения и воссоздается обратно в точке приема. При этом информация не передается быстрее скорости света, так как надо передать на сторону получателя два бита информации о результате измерения, но при этом можно передать квантовое состояние, для точного описания которого потребовался бы значительно больший объем информации. Еще одним примечательным свойством является то, что при телепортации само квантовое состояние остается неизвестным для того, кто проводит протокол телепортации.

У

Узлы доверенного приема-передачи. Для квантовых сетей более 100 км необходимо строить промежуточные доверенные узлы приема-передачи. В этих узлах производятся измерения фотонов, получение квантового ключа и дальнейшая его передача с помощью квантового ключа, сгенерированного на следующем пролете сети. Так как узел принимает квантовые ключи, он должен быть защищен от действий злоумышленника. Например в Китае построена сеть «Пекин — Шанхай», содержащая 32 промежуточных доверенных узла. В перспективе возможно сделать узлы полностью квантовыми, не требующими доверия, но для этого потребуется квантовый повторитель, устройство комбинирующее квантовую телепортацию и квантовую память, чтобы сохранять успешные попытки телепортации от узла к узлу.

Узлы доверенного приема-передачи

Ф

Фотон — это частица света, самая распространенная элементарная частица во Вселенной. Фотоны можно представить как воздушные шары, наполненных водой. Волны на поверхности воды несут информацию, а получить эту информацию можно, лишь продырявив шар, то есть уничтожив фотон. Если на единичный фотон записать бит информации и отправить его получателю, по пути никто не сможет его незаметно прочитать — это гарантируется законами физики.

Х

Хранение данных, распределенное — уровень защиты информации. Если вы разделите информацию между пятью узлами, и кто-то получит доступ меньше, чем к половине, например, к двум узлам, то он не сможет ничего восстановить из вашей информации. Но если у вас будет доступ к трём узлам, то вы сможете восстановить полную информацию, даже если два других окажутся уничтожены, например, сгорят в пожаре. Таким образом, с помощью квантовых коммуникаций можно решить задачи не только защиты передачи, но и защиты хранения.

Ц

Цайлингер, Антон — австрийский физик, известный работами в области квантовой информации и впервые осуществивший квантовую телепортацию с использованием фотонов. В 2010 году Цайлингер совместно с Джоном Клаузером и Аленом Аспе стали лауреатами премии Вольфа по физике «За фундаментальный концептуальный и экспериментальный вклад в основы квантовой физики, в частности за серию возрастающих по сложности проверок неравенств Белла с использованием запутанных квантовых состояний».

Антон Цайлингер

Ч

Частота фотона его спектральная характеристика. Очень важна при определении, через какую среду отправлять фотон и как его детектировать. В случае оптоволокна наилучшая частота является примерно 190 терагерц, что соответствует длине волны в 1 550 нм. Для детектирования такого фотона используются детекторы на основе Арсенида Галлия. Для атмосферы обычно используют вдвое меньшую частоту, так как, помимо окна прозрачности, для этой частоты подходят более эффективные кремниевые детекторы.

Ш

Шифратор, квантово-криптографический осуществляет действия по высокоскоростному шифрованию, передаче и приему информации, а также поддерживает функцию получения квантовых ключей от системы квантового распределения ключей.

Э

Энтропия — определяет уровень хаоса, а также является мерой количества информации. В теории информации вводится также понятие взаимной энтропии между двумя участниками коммуникации, которая используется для расчета энтропии взаимосвязанных систем (энтропии совместного появления статистически зависимых сообщений). Понятие энтропии широко используется при анализе передачи данных, в том числе доказательстве секретности квантового распределения ключей.

Ю

Юстировка оптики — процесс настройки оптической схемы. Важнейший параметр любого оптического прибора, особенно квантовой криптографии, которая очень чувствительна к настройке интерферометров и/или поляризационно зависимых элементов.

Я

Яркость источника одиночных фотонов — вероятность того, что триггерный импульс, посылаемый на источник одиночных фотонов, приведет к появлению одиночного фотона. Скорость генерации одиночных фотонов можно определить как произведение яркости на частоту следования импульсов накачки.


Читать далее:

Ученые восстановили лицо женщины бронзового века, которую похоронили с драгоценностями

Появился электрод, похожий на мягкое мороженое. В нем дешево хранить зеленую энергию

Лекарство против ВИЧ, которое пробуждает скрытую инфекцию, скоро испытают на людях

Загрузка...