Прорыв в области квантовой связи
В современных информационных сетях данные передаются в виде потока вспышек света по оптическому волокну: если вспышка есть – единичка, если нет – нолик. Но такая передача информации небезопасна, потому как эти вспышки можно вполне легко «подсмотреть», используя специальную технику, при этом, ни получатель, ни отправитель не будет знать о том, что сообщение было перехвачено.
В случае использования квантовой связи фотоны передают определенными группами, а ноли и единицы записываются особым образом. В том случае, если кто-либо захочет перехватить письмо, он это возможно сделает, но это, во-первых, не останется незамеченным, а во-вторых, вряд ли он прочтет это послание.
Впервые такой алгоритм был придуман американским физиком Чарльзом Беннетом и канадским криптологом Жилем Брассаром в 1984 году. Через пять лет алгоритм был реализован в условиях лаборатории – криптофотоны передавались по воздуху на расстояние в тридцать сантиметров. Однако что касается промышленного использования, то первые решения появились лишь в 2002-2004 годах. Но до настоящего момента они являются весьма дорогим удовольствием, стоимость которого оценивается в сотни тысяч долларов. Физически подслушать канал квантовой связи невозможно, поскольку это противоречит законам квантовой механики.
Вместе с тем, существует большая проблема, связанная с объединением квантовых каналов в единую сеть, поскольку квантовость нарушается в сетевых узлах. В настоящее время Европейский Союз принялся за реализацию весьма амбициозного проекта глобальной квантовой сети, которая носит название SECOQC, но в ней криптофотоны будут переконвертироваться в биты и передаваться по доверенным узлам сети. Пока квантовую связь можно использовать только между двумя объектами, причем расстояние между ними не должно превышать 200 километров, потому как на большие расстояния единичные фотоны просто не смогут долетать. Более того, чем больше расстояние – тем меньше скорость передачи данных, вплоть до нескольких сотен бит в секунду времени.
Все существующие на сегодня установки, использующие квантовую связь, ограничиваются передачей ключей шифрования, поэтому очень часто квантовая связь носит название «квантовое крипто». После того, как объекты получают необходимые ключи, они шифруют информацию и передают ее по сети. Но при этом ключи для шифрования должны очень часто меняться, поскольку скорость соединения остается весьма медленной.
Возникает вопрос: если существует такое большое количество проблем с квантовой связью, почему нельзя использовать открытые шифровальные программы типа PGP и обходиться без квантов? Ответ прост: дело в том, что несмотря на все удобство систем с открытым ключом, надежность их гарантировать не может никто. В это же время, среди закрытых программ существуют такие, которые даже теоретически взломать невозможно, но при этом нужно заранее обеспечить все стороны нужными ключами, а в современных компьютерных системах эту проблему решить практически невозможно. Но ее можно решить при помощи квантовой связи: убедиться в том, что ключ никто не перехватил, помогает физика, а недоступность зашифрованных с его помощью данных – математика.
Вместе с тем, стоит упомянуть и о том, что понятие «безусловной защищенности» не совсем верное. Да, мощная компьютерная техника не поможет добраться до засекреченной информации, зато есть другие способы, например, побочные каналы утечки данных, технические ошибки, или же «троянские атаки».
Энтузиазм физиков передался промышленникам, бизнесменам, государственным структурам. Молодым компаниям, которым еще не удалось толком продать первые квантовые «черные ящики», предлагают многомиллионное финансирование на проведение дальнейших исследований. Очень серьезно идеи квантовой связи стали продвигаться и в общественном сознании. Первыми в этом плане стали швейцарцы, которые продемонстрировали преимущества квантовой коммуникации в ходе парламентских выборов 2007 года. И хотя реально польза от нее была небольшая, зато пиар получился просто великолепный, потому как население Швейцарии очень ответственно относится к избирательному процессу. Поэтому для них важна правильность подсчета голосов. А связь квантовой коммуникации и защиты результатов выборов – это хорошо продуманный рекламный ход, который обратил внимание не только на квантовую связь, но и на развитие швейцарской науки.
Развитие квантовой связи продолжается весьма интенсивно. И вот в мае текущего года появилась информация о том, что китайским физикам удалось передать фотоны на рекордное расстояние, равное 97 километрам, по открытому воздуху. Передача запутанных фотонов осуществлялась при помощи лазера, мощность которого была равна 1,3 Ватта. Опыты проводились над озером, расположенным на высоте 4 тысяч метров над уровнем моря. Основная проблема в процессе передачи фотонов на такое значительно расстояние была связана с уширением луча, поэтому ученые использовали дополнительный направляющий лазер, при помощи которого подстраивались приемник и передатчик. Кроме того, фотоны терялись не только из-за уширения луча, но и по причине несовершенства оптики и турбулентности воздуха.
Как бы там ни было, в ходе 4-часового эксперимента на расстояние 97 километров удалось передать порядка 1100 запутанных фотонов. Но, по словам ученных, потери фотонов совсем незначительны, поэтому вполне можно предполагать, что в ближайшем будущем квантовая связь может быть осуществлена между коммуникационным спутником и наземной станцией.
Отметим, что ученые и раньше проводили исследования по передаче запутанных фотонов, но дальность передачи не была большой – порядка километра. Причина тому – взаимодействие частиц со средой распространения, и, как результат, потеря квантовых свойств. Как видим, передача по воздуху оказалась более эффективной.
Спустя несколько дней после проведения китайского эксперимента появилась информация о том, что европейским ученым удалось побить рекорд китайских ученых, передав запутанные фотоны на расстояние, равное 143 километрам. Как утверждают его авторы, эксперимент длился более года. Причина тому – плохие погодные условия. Известно, что опыты проводились в Атлантическом океане между островами Тенерифе и Ла Пальма. Как и в предыдущих исследованиях, передача информации была осуществлена двумя каналами – обычным и квантовым.
В настоящее время становится очевидным, что достижение китайских физиков оказались более удачными. Ученым впервые удалось использовать квантовую связь между базовой наземной станцией и летящим на значительной высоте самолетом.
На борту самолета Do228, летящего на высоте 20 километров со скоростью 300 километров в час, находились приемник и источник (инфракрасный лазер) фотонов. Базовая станция использовала оптическую систему, в структуре которой находилась система зеркал с приводами высокой точности, для определения направления и положения самолета. После того, как были точно установлены все координаты самолета, а также оптическая система приемника, станционное оборудование могло определять поляризацию фотонов и использовать данную информацию для расшифровки квантовых данных.
Сеанс связи длился примерно 10 минут. Однако не вся передаваемая информация шифровалась при помощи квантовой криптографии. Квантовым методом передавались только ключи шифрования, менявшийся через определенное количество килобайт информации (около 10 Кбайт), которая передавалась обычным методом. Использованный метод передачи ключей называется квантовым распределением ключей, в нем для кодирования единиц и нолей используется разная поляризация фотонов.
Необходимо также отметить, что частота возникновения ошибок во время сеанса не превысила 5 процентов, что можно считать большим успехом в области квантовой связи.
Таким образом, можно говорить о том, что ученым удалось вплотную приблизиться к созданию спутниковой системы квантовой связи. При этом, существует предположение, что для организации такой связи потребуется даже меньше усилий, поскольку погодные условия имеют большое влияние у земной поверхности, но в вертикальном направлении они не должны быть столь значимы.
По мнению экспертов, если эксперименты завершатся удачно, квантовую спутниковую связь можно будет применить для организации информационной защищенной сети между посольствами тех государств, у которых данная технология уже существует.
В то же время, существует определенное число ученых, которые считают, что наряду со способностью обеспечить мощную защиту передаваемой информации, квантовая связь не способна решить целый ряд других, не менее важных проблем. Так, по словам Барта Пренеля, профессора Католического университета в Левене, существуют следующие проблемы. Во-первых, отправитель, использующий квантовую связь, должен быть уверен в том, что на другом конце находится вполне конкретный получатель. Поэтому необходимо выдать обеим сторонам секретный код. Но если это возможно для небольших, хорошо продуманных и организованных узлов, то в массовом использовании квантовую коммуникацию использовать нельзя. Во-вторых, квантовая криптография не дает возможности подписывать документы. В-третьих, квантовая криптография не может гарантировать защиту информацию, которая уже хранится. Ведь в современных информационных системах главное – не защита передаваемой информации, а защита конечных узлов, где эта информация будет храниться.
Поэтому с точки зрения коммерческого использования квантовая криптография еще некоторое время не будет жизнеспособной.
Использованы материалы:
http://www.dailytechinfo.org/infotech/4016-vpervye-realizovana-kvantovaya-svyaz-mezhdu-letyaschim-samoletom-i-nazemnoy-stanciey.html
http://cybersecurity.ru/it/159210.html/
http://rus.ruvr.ru/2012_05_21/75468427/
http://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%E2%E0%ED%F2%EE%E2%E0%FF_%E7%E0%EF%F3%F2%E0%ED%ED%EE%F1%F2%FC
Информация