Цивилизация развивается, а системы связи при этом усложняются и приобретают все большое значение. Непреложный закон истории, можно сказать.
Основной на сегодняшний день метод защиты информации, шифрование, известен вот уже четыре тысячи лет. Но с развитием технологий его применение становится все более ресурсоемким и ненадежным. Это информационный аналог спора снаряда и брони – чем больше вычислительные мощности, тем сложнее должен быть шифр. Поэтому в 1970-ом году Стивен Визнер и Жиль Брассар захотели разорвать порочный круг и предложили для защиты данных использовать свойства квантовых объектов, заложив основы квантовой криптографии. Если традиционная криптография обеспечивает секретность за счет математических методов, то квантовая криптография сосредоточена на физике, а именно на эффекте коллапса волновой функции.
В основе квантовой механики лежит идея о том, что в ходе любого измерения физические приборы взаимодействуют с исследуемой системой, изменяя ее в процессе. Причем такой эффект имеет место для систем любого размера, но лучше всего заметен в микромире. Приведу пример. Когда ученые описывают условный атом с одним электроном, то они знают, что электрон может вращаться вокруг атомного ядра по целому спектру различных орбит. Но также они знают, что определить, по какой конкретно орбите летит электрон, можно только в результате измерения. Поэтому, пока измерения нет, нельзя считать, что электрон движется по какой-то конкретной орбите. Напротив, состояние электрона нужно рассматривать как движение по всем орбитам одновременно, но с разной вероятностью нахождения на конкретной орбите. Математически такой вероятностный подход выражается с помощью волновой функции. Сохраняться такое состояние электрона будет до момента измерения, когда его орбита определится. В этот момент измерение заставит электрон выбрать из всего спектра одну единственную орбиту, т.е. заставит его изменить состояние. Вот это ученые и называют коллапсом волновой функции. Замечу, что вероятностная природа существования электрона отразится на статистке наблюдений за большим числом одинаковых атомов, когда в ходе измерений электроны будут обнаруживаться на всех доступных орбитах, а число обнаружений на конкретной орбите во всей серии экспериментов будет определяться соответствующей вероятностью.
Следствием такого подхода можно считать принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому не все характеристики квантовой системы можно определить одновременно и точно. И померить, например, пару таких параметров в два приема нельзя – исходное состояние разрушится сразу после начала измерения, а значит, результат второго измерения не будет иметь никакого отношения к исходному состоянию системы.
Если система связи передает в качестве носителя сигнала квантовые объекты (например, фотоны), а данные кодируются взаимосвязанными состояниями (например, с помощью определенного вида поляризации фотона), то принять информацию можно только тогда, когда ты точно знаешь, какой из связанных параметров нужно измерить. Поэтому, прежде чем начать обмен данных, абоненты договариваются об измеряемом параметре. Если же в обмен данных вклинивается злоумышленник, который о договоре не знает, то его попытка перехватить сообщения приведет к их разрушению, а законные абоненты системы связи поймут по возникшему шуму, что их пытаются подслушать. Но шум возникает не только в результате вмешательства, но и по естественным причинам, когда сигнал разрушается за счет взаимодействия с физической инфраструктурой сети. Поэтому законные абоненты сети принимают решение о начале обмена данными, оценивая уровень шума в принимаемых данных. Это означает, что ключевым моментом в организации квантовой системы связи является допустимый уровень шума на принимающей стороне, т.е. допустимый уровень приходящих ошибочных данных.
Об особенностях физической реализации квантовых сетей читайте в СЛЕДУЮЩЕЙ ЧАСТИ.
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.
