Как передать секретное послание? Квантовая Физика.

Что это?

Принцип работы первого в истории протокола квантового распределения ключа — BB84, созданного в 1984 году.

Задача любого такого протокола — передать от одного пользователя к другому данные для создания ключа, которые используются в расшифровке некоторого сообщения. Генерируемые квантовыми распределителями ключи очень сложно перехватить, поскольку они передаются частицами в состоянии квантовой неопределенности. Если злоумышленник попытается считать с частиц передаваемую информацию, то это изменит их квантовое состояние, что непременно заметят отправитель и получатель.

Для квантового распределения ключа по протоколу BB84 пользователям необходимо два канала связи: квантовый и классический. Алиса — так в криптографии обычно называют отправителя — последовательно посылает по квантовому каналу фотоны, которые находятся в четырех разных состояниях, относящихся к двум базисам поляризации: горизонтально-вертикальному + (состояния поляризации ↔, 0° и ↕, 90°) и диагональному X (состояния поляризации ↗, 45° и ↖, 135°). Фотоны в состоянии ↔ и ↖ получают значение 0, а в ↕ и ↗ — 1, или наоборот. Боб (получатель) не знает, в каком состоянии находится каждый прибывший фотон, но имеет возможность измерять его посредством двух фильтров, настроенных на горизонтально-вертикальные состояния или на диагональные. Если Боб измерит фотон подходящим для него фильтром, то он сможет гарантированно считать его состояние. Если же нет, то он с вероятностью 50% получит какой-то из двух результатов, на которые настроен фильтр. К примеру, с помощью горизонтально-вертикального фильтра + Боб корректно измерит кубит в состоянии ↕. Если же он измерит этот же кубит диагональным фильтром X, то он получит или состояние ↗, или состояние ↖.

После этого Боб связывается с Алисой и сообщает ей, с помощью какого из фильтров был измерен каждый фотон. Сами результаты измерений он сохраняет втайне. Если Боб угадал, в каком базисе был отправлен фотон, то и он, и Алиса будут использовать его при составлении ключа, если нет — этот фотон не учитывается. После этого Алиса и Боб преобразуют результаты измерений в двоичный ключ в соответствии с тем, какие значения они присвоили каждому состоянию. Как правило, в ходе сопоставления неправильно измеряются примерно 50% фотонов. Поэтому в итоге получается ключ, число знаков в котором в два раза меньше, чем число посланных фотонов.

После этого необходимо проверить уровень ошибок, выявленных в ходе передачи данных. Какие-то ошибки возникают из-за естественных причин, однако они могут быть вызваны и тем, что злоумышленник попытался перехватить данные, измерив состояние фотонов или попытавшись подменить их. Порог такой ошибки для квантовой криптографии — 11%. Если уровень ошибок 11% или больше, значит, ключ скомпрометирован, и его нельзя использовать.

Чем это интересно для науки?

Самая главная проблема протокола BB84 — сравнительно небольшое расстояние, на которое с его помощью можно передать фотоны, до 100–130 км. В то же время находящиеся в разработке протоколы DPS и COW потенциально смогут обеспечить вплоть до 300 км, если будет доказана их безопасность. Поэтому основное направление работы ученых по совершенствованию имеющихся протоколов квантового распределения ключа — это создание квантового повторителя, который смог бы выступать в качестве «усилителя сигнала» и открыл бы возможности для передачи данных на тысячи километров.

Почему это важно знать?

Квантовые технологии все активнее входят в жизни людей. Это особенно верно в отношении протоколов квантового распределения ключей, которые вышли на коммерческий рынок еще в 2003 году. Все больше информации будет защищаться с помощью квантовой криптографии, поэтому полезно знать основные принципы ее работы.