Прорыв в области квантовой связи

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
Автор: Валерий Бовал


Мнение редакции "Военного обозрения" может не совпадать с точкой зрения авторов публикаций

CtrlEnter
Если вы заметили ошибку в тексте, выделите текст с ошибкой и нажмите Ctrl+Enter
Читайте также
Комментарии 9
  1. vylvyn 27 сентября 2012 08:57
    Так и не понял из статьи в чём преимущество квантовой связи перед другими? Передачу желательно осуществлять на большой высоте, где воздух разряжённей и оказывает меньшее воздействие на фотоны. Плюс нужна куча высокоточных зеркал с практически снайперской направкой на приёмник, плюс 5% потери информации, плюс погода сильно влияет, плюс ещё что-то. О прорыве ИМХО пока рано говорить. Пока только стадия проб и ошибок.
    vylvyn
    1. Tirpitz 27 сентября 2012 09:51
      Главное работы ведутся. Вот и китайцы активно взялись за дело, а результат будет непременно.
      Tirpitz
    2. golikov 27 сентября 2012 19:06
      Про китайцев и европейцев - это только варианты связи.
      Автор пытался довести смысл того, что квантовую связь в принципе (из ходя из известных законов физики и выполнении организационных мероприятий) не возможно перехватить и в других государствах ведутся работы по развитию способов и методов не электромагнитной связи.
      Надеюсь у нас это происходит тоже.
      1. мамба 28 сентября 2012 10:30
        Цитата: golikov
        в других государствах ведутся работы по развитию способов и методов не электромагнитной связи. Надеюсь у нас это происходит тоже.

        В 93-м году в саратовском НПО "Инжект" был разработан лазер для магистральных ВОЛС на длину волны 1,3 мкм. Питерский НИИ "Дальней связи" разработал всю электронику для трансконтинентальных линий связи. Харьков и Питер подготовили оптические кабеля, но разруха в стране и бардак в её руководстве похоронили всё это и открыли дорогу западным и восточным конкурентам.
        мамба
    3. carbofo 28 сентября 2012 02:26
      vylvyn,
      Основное преимущество, невозможность перехвата данных. Или как минимум невозможность перехвата данных незаметно.
      Вообще тема старая, я про это читал минимум лет пять назад.
  2. borisst64 27 сентября 2012 11:23
    Если вопрос состоит в секретности информации, то метод шифрования никто не отменял.
    borisst64
  3. Я так думаю 28 сентября 2012 00:29
    Очередной пустой информационный материал. Американцы потратили кучу денег на бессмысленное исследование с бесперспективной целью и теперь с помощью информ атаки хотят заставить потратить теже усилия и других. И никто в массе авторов подобных статеек не задается вопросом - а что плохого если сообщение и будет перехвачено противником? С современными методами шифрования, чтоб расшифровать сообщение потребуется задействовать все мошности всех (!) современных компьютеров планеты и работать они должны пару тыщ лет. ВСЕ. Какой смысл скрывать зашифрованное сообщение? Нету ни малейшего смысла! Так зачем вся канитель? Пустить противника по ложному кругу ... пускай потратиться и потеряет время ...
  4. мамба 28 сентября 2012 00:39
    Статья написана полным дилетантом в области квантовой электроники и пестрит множеством ошибок и экзотических формулировок на уровне перлов.
    В первом абзаце автор пишет, что при перехвате информации из оптического волокна «ни получатель, ни отправитель не будет знать о том, что сообщение было перехвачено». Но во втором абзаце мы читаем, что «перехват не останется незамеченным».
    Вместо перла «фотоны передают определёнными группами» лучше было бы написать, что по волокну передаются оптические импульсы от полупроводникового лазера, работающего в квазинепрерывном режиме на длине волны 1,3 мкм или 1,55 мкм.
    В СССР первые квантово-электронные модули появились в 80-е годы. Они могли работать как с волокном, так и с воздухом, используя, конечно же, кодировку информации, но автор почему-то считает: «что касается промышленного использования, то первые решения появились лишь в 2002-2004 годах».
    Непонятен перл: «Физически подслушать канал квантовой связи невозможно, поскольку это противоречит законам квантовой механики». Причём здесь квантовая механика?
    Перл «квантовость нарушается в сетевых узлах», вероятно, означает, что при ретранслировании сигнала возможно появление помех, искажающих информацию.
    «Пока квантовую связь можно использовать только между двумя объектами, причём расстояние между ними не должно превышать 200 километров, потому как на большие расстояния единичные фотоны просто не смогут долетать». Автор, видимо не знает о том, что волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) существуют уже давно и с конца 80-х годов стали межконтинетальными.
    «Более того, чем больше расстояние – тем меньше скорость передачи данных, вплоть до нескольких сотен бит в секунду времени». В таком случае Интернет был бы невозможен.
    Развеселил ещё один перл автора о «запутанных» фотонах: «Передача запутанных фотонов осуществлялась при помощи лазера, мощность которого была равна 1,3 Ватта». Вероятно, имелся в виду непрерывный ИК-лазер с такой величиной средней мощности и с идеальной фокусировкой луча, передающий закодированную информацию через чистый горный воздух.
    Обычное ослабление оптического сигнала за счёт рассеяния и поглощения в среде автор «наукообразно» называет «потеря квантовых свойств». Вероятно, кванты света перестают быть самими собой?
    Сравнивая дальность передачи по воздуху в обычных условиях и в горах, автор делает странный вывод: «передача по воздуху оказалась более эффективной». Тогда уж более эффективной будет передача информации с помощью лазера в космосе.
    О кодировке информации с помощью поляризации фотонов я не слышал, т.к. давно уже не занимаюсь квантовой электроникой. Однако, не думаю, что сами лазеры способны работать в режиме перестройки поляризации. Для этого нужны другие устройства.
    В целом, автору по физике - жирная двойка. tongue Он мне напомнил такого же автора, который совершив вояж на завод полупроводниковых приборов, описывал технологию изготовления тиристоров, называя их от слова террор - терристорами. И так по всей статье, раз двадцать. negative
    мамба
  5. пухлый 28 сентября 2012 00:59
    Еще в 90-е вполне работала т.н. "пакетная" связь, Аппаратура уплотнения пакует инфу, шифрует ЗАСом и она за 1-2 сек вылетает в эфир в виде "порции" или "пакета". На приеме обратный процесс ( при знании ключа). Единственная беда - малый обьем "пакета", поэтому гнали пакеты порциями, паровозом и т.н. "эхо". Немного похоже на тональное телеграфирование, но не то: связь качалась по всему шарику и без всяких лазеров. Помню, что в отличие от радиорелейки, ядерный взрыв связь ломал. А тут, походу, со спецом "уводят в сторону" экзотичных проектов.
    пухлый
  6. gregor6549 28 сентября 2012 14:58
    Не совсем врубился. Использование связи в оптическом диапазоне волн осуществляется уже давно и не только в военных системах связи но и в гражданских. Причем используются как беспроводная связь так и связь по оптоволоконным кабелям.
    'В "забытой" богом Австралии сейчас, например, реализуется проект по которому практически к каждому дому и фирме будет протянута широкополосная быстродействующая связь. (National Broadband Network) Основой этой связи как раз и будут оптоволоконные кабели. а там где их использование затруднено, будут испоьзоваться широкополосные беспроводные линии связи, например СВЧ. А засекречивание связи, там где это необходимо, осуществляется совсем другими методами независимо от того какие частоты используются для передачи данных. Так в чем фишка статьи?
    1. golikov 3 октября 2012 19:38
      Я попытаюсь объяснить. Существует явление: если что то сделать с одним квантом, с другим произойдет то же.
      Т.е. я генерирую "группу квантов", у вас появляется такая же (у других людей они не появятся) - это я вам передал ключ для шифрования. А дальше по старой схеме. Из-за того что с генерировать 1 Гбайт я не могу.
      Правильно Мамба?

Информация

Посетители, находящиеся в группе Гость, не могут оставлять комментарии к данной публикации.
Картина дня