Квантовые коммуникации, или как общаться с помощью фотонов?

Разобраться в этом нелёгком вопросе нам снова помогут Алиса и Боб. Кстати, они являются героями квантовых сказок, мифов, а также их можно найти на страницах комиксов) В общем, Алиса и Боб - легендарные персонажи квантового мира)

Вот пример одной из таких историй:

"Когда Алиса попала в страну чудес, она открыла мир странных законов и необычных путешествий. Время и пространство менялись вокруг неё, словно подчиняясь квантовым законам. Квантовые методы также работают с непредсказуемыми состояниями, где одно действие сразу влияет на другое, как в сказке. Там она встретила таинственного Боба, который всегда находился "на другом конце" их взаимодействий, помогая ей понимать странные процессы. Как в квантовой криптографии, Алиса и Боб могли передавать информацию друг другу, телепортируя состояния через расстояние. Именно эти волшебные приключения вдохновили на использование их имён в описаниях квантовых методов защиты данных".

Одним из направлений квантовых коммуникаций является создание защищенных каналов связи на основе квантового распределения ключей (КРК). Это процедура выработки и распределения секретных ключей реализуется с помощью квантовых криптографических протоколов и квантовых каналов связи. Она позволяет двум абонентам создать общий и известный только им ключ, который абоненты могут использовать для шифрования и дешифрования сообщений.

Итак, общение с помощью фотонов происходит в пять этапов:

1) Процесс начинается с квантования – создания пары ключей, то есть, секретного шифра (фото 2 в карусели).

2) Далее Алиса начинает генерировать ключи. Она создает случайные нули и единицы, а потом выбирает базис для каждого бита (горизонтальный/вертикальный или диагональный). Боб же получает эти фотоны и пытается угадать, в каком базисе они были отправлены (фото 3).

3) На третьем этапе Алиса отправляет фотоны Бобу через квантовый канал (фото 4).

4) На четвертом этапе Боб измеряет фотоны, которые отправила Алиса. Он случайно выбирает один из двух базисов для каждого фотона, не зная, какой именно использовала Алиса. Если он выбрал правильный базис, то точно определяет бит, а если неправильный – результат будет случайным. Например, если Боб измеряет фотон в горизонтально/вертикальном базисе, и Алиса использовала тот же базис, он узнает бит точно. Если базис был другой, результат будет случайным (фото 5).

5) На пятом этапе Алиса и Боб обмениваются информацией о базисах, которые использовали (но не сообщают сами биты). Они сохраняют только те биты, где базисы совпали, и они становятся их секретным ключом (фото 6).

Данный метод квантового распределения ключей (QKD) основан на принципах квантовой механики, таких как суперпозиция и запутанность, и используется для их безопасной передачи.

Метод QKD применим для сверхзащищенного обмена ключами шифрования, особенно в критически важных сетях: банковских, правительственных и военных.

Данная система передачи данных такова, что её взлом противоречит законам физики. Таким образом, связь защищена фундаментальными законами природы.

Как именно происходит процесс шифрования?

Как вы уже поняли, в квантовой коммуникации отправителя принято называть "Алиса", а получателя – "Боб" (А и Б). Допустим, Алиса и Боб выбрали квантовое состояние, соответствующее нулю (0), их фазы оптического излучения совпали, получился высокий уровень сигнала и детектор фотонов Боба сработал. Если Алиса выбрала ноль (0), а Боб - единицу (1), фазы оказались разными и детектор не срабатывает. Для ключа оставляют только то, что совпало. И Алиса, и Боб знают, что у них совпали передачи 1, 5, 15 и 155, но что они при этом передавали – 0 или 1 – знают только они и больше никто.

А теперь немного истории:

В 1989 году учёные Чарльз Беннет и Жиль Брассар в Исследовательском центре IBM построили первую работающую квантово-криптографическую систему. Она состояла из квантового канала, содержащего передатчик Алисы на одном конце и приёмник Боба на другом, размещенные на оптической скамье длиной около метра в светонепроницаемом полутораметровом кожухе размером 0,5х0,5 м. Собственно квантовый канал представлял собой свободный воздушный канал длиной около 32 см. Макет управлялся от персонального компьютера, который содержал программное представление пользователей Алисы и Боба.

Позднее, в 1990-1991 годах идея была развита и окончательно реализована польским физиком Артуром Экертом. Его схема использует квантовый канал, по которому легальные участники защищенного сеанса связи (традиционно называемые у шифровальщиков Алиса и Боб) обмениваются сообщениями, передавая их в виде поляризованных фотонов.

Такой метод позволяет передавать не только информацию, но и квантовые состояния на расстоянии, не перемещая сами частицы. Это происходит благодаря квантовой запутанности: два объекта заранее запутаны, и состояние одного сразу влияет на другого, даже если они далеко друг от друга. Это не передача информации в обычном смысле, а "перенос" квантового состояния, который может использоваться для безопасной передачи данных между сторонами.

Возможно, со временем люди научатся пользоваться не только квантовыми компьютерами, но и своим сознанием для реализации квантовых коммуникаций)

В природе уже существует прототип квантового компьютера, но об этом поговорим в следующий раз.

Источник: vk.com

Комментарии: