Kvantu komunikācija darbībā - apraksts, iezīmes un interesanti fakti

Kvantu fizika piedāvā pilnīgi jaunu informācijas aizsardzības veidu. Kāpēc tas ir nepieciešams, vai tagad nav iespējams izveidot drošu saziņas kanālu? Protams, varat. Taču kvantu datori jau ir izveidoti, un tajā brīdī, kad tie kļūst plaši izplatīti visur, mūsdienu šifrēšanas algoritmi būs bezjēdzīgi, jo šie jaudīgie datori var sabojāt tos sekundē. Kvantu komunikācija ļauj šifrēt informāciju, izmantojot fotonus - elementārās daļiņas.

Šādi datori, kuriem ir piekļuve kvantu kanālam, kaut kā mainīs pašreizējo fotonu stāvokli. Un mēģinot iegūt informāciju, tas to sabojā. Informācijas pārraides ātrums, protams, ir mazāks salīdzinājumā ar citiem esošajiem kanāliem, piemēram, ar telefona sakaru palīdzību. Bet kvantu sakari nodrošina daudz lielāku slepenības pakāpi. Tas, protams, ir ļoti liels plus. It īpaši mūsdienu pasaulē, kad ikdienā pieaug kibernoziegumi.

Kvantu saite par "manekeniem"

Kad balodis pasta tika aizstāts ar telegrāfa, savukārt telegrāfs izlaida radio. Protams, tas ir šodien, tas nav aizgājis kaut kur, bet ir parādījušās citas modernās tehnoloģijas. Pirms desmit gadiem internets netika izplatīts, kā tas bija šodien, un tam bija grūti piekļūt - bija nepieciešams doties uz interneta klubiem, nopirkt ļoti dārgas kartes utt. Mūsdienās bez interneta mēs dzīvojam stundu, un mēs ar to gaidām 5G.

Bet nākamais jaunais komunikācijas standarts neatrisinās uzdevumus, ar kuriem saskaras datu apmaiņas organizēšana internetā, datu saņemšana no satelītiem no apmetnēm uz citām planētām utt. Visi šie dati ir droši jāaizsargā. Un to var organizēt ar tā dēvēto kvantu ieplūšanu.

Kas ir kvantu saite? Par "manekeniem" šo fenomenu izskaidro kā dažādu kvantu īpašību savienojumu. Tas saglabājas pat tad, ja daļiņas ir izvietotas viena no otras lielā attālumā. Šifrēts un pārsūtīts ar kvantu piesaistīšanas palīdzību, atslēga nesniegs nekādu vērtīgu informāciju zagļiem, kuri centīsies to pārtvert. Viss, ko viņi saņem, ir atšķirīgs skaitlis, jo sistēmas stāvoklis, ar ārēju iejaukšanos, tiks mainīts.

Bet nebija iespējams izveidot pasaules mēroga datu pārraides sistēmu, jo pēc pāris desmitiem kilometru signāls izzuda. 2016. gadā palaistais satelīts palīdzēs realizēt kvantu atslēgu pārsūtīšanas shēmu vairāk nekā 7 tūkst. Km attālumā.

Pirmie veiksmīgie mēģinājumi izmantot jauno savienojumu

Pirmais kvantu kriptogrāfijas protokols tika iegūts 1984. gadā. Šobrīd šī tehnoloģija ir veiksmīgi izmantota banku sektorā. Slavenākie uzņēmumi piedāvā kriptogrāfijas sistēmas, kuras tās ir izveidojušas.

Kvantu sakaru līnija tiek veikta ar standarta optisko šķiedru kabeļu. Krievijā pirmais aizsargājamais kanāls tika novietots starp Gazprombank filiālēm Novye Cheryomushki un Cow Wall. Kopējais garums ir 30,6 km, rodas kļūdas atslēgas pārsūtīšanā, bet to procentuālā daļa ir minimāla - tikai 5%.

Ķīna uzsāka kvantu sakaru satelītu

Pasaulē pirmais šāda veida satelīts tika atklāts Ķīnā. Long-March-2D raķete tika atklāta 2016. gada 16. augustā no kosmometra Tszyu-Quan. Satelīts, kas sver 600 kg, lidos 2 gadus uz saules sinhronas orbītas, kas ir 310 km (vai 500 km), kā daļu no programmas "Kvantu eksperimenti kosmiskajā mērogā". Aparāta aprites laiks ap Zemi ir vienāds ar pusotru stundu.

Kvantu saites satelītu sauc par Micius vai "Mo-tzu", par godu filozofam, kurš dzīvoja 5. gadsimtā AD. Un, kā parasti uzskata, tas bija pirmais, kurš veica optiskus eksperimentus. Zinātnieki gatavojas izpētīt kvantu iepludināšanas mehānismu un veikt kvantu teleportu starp satelītu un laboratoriju Tibetā.

Pēdējais nodod dalījuma kvantu stāvokli uz noteiktu attālumu. Lai īstenotu šo procesu, jums ir nepieciešams pāri sajauktiem (citiem vārdiem sakot, saķeres) daļiņām, kas atrodas attālumā no cita. Saskaņā ar kvantu fiziku viņi spēj uztvert informāciju par partnera statusu, pat ja tā ir tālu viena no otras. Tas nozīmē, ka ir iespējams ietekmēt daļiņu, kas atrodas tālu kosmosā, ietekmējot partneri, kas ir tuvumā, laboratorijā.

Satelīts radīs divus satricinātos fotonus un nosūta tos uz Zemes. Ja pieredze ir veiksmīga, tas iezīmēs jaunas ēras sākumu. Desmitiem šādu satelītu var ne tikai nodrošināt plašo kvantu interneta izplatīšanu, bet arī kvantu sakarus kosmosā, lai nākotnē apmetos Marsā un Mēnesī.

Kāpēc mums vajadzīgi šādi satelīti

Bet kāpēc mums ir nepieciešams kvantu sakaru satelīts? Vai nav pietiekami daudz esošo parasto satelītu? Fakts ir tāds, ka šie satelīti neaizstāj tradicionālos. Kvantu saziņas princips ir pašreizējo tradicionālo datu pārraides kanālu kodēšana un aizsardzība. Ar tās palīdzību, piemēram, drošība jau tika nodrošināta 2007. gada parlamenta vēlēšanās Šveicē.

Nekomerciālā pētniecības organizācija Battelle Memorial Institute veic informācijas apmaiņu starp birojiem Amerikas Savienotajās Valstīs (Ohaio valsti) un Īrijā (Dublinā), izmantojot kvantu piesaisti. Tās princips ir balstīts uz fotonu - elementāras gaismas daļiņu izturēšanos. Ar viņu palīdzību informācija tiek kodēta un nosūtīta adresātam. Teorētiski, pat visprecīzākais mēģinājums iejaukties atstās izsekot. Kvantu atslēga nekavējoties mainīsies, un hakeru mēģinājums saņems bezjēdzīgu rakstzīmju kopu. Tādēļ visus datus, kas tiks pārsūtīti ar šo saziņas kanālu palīdzību, nevar pārtvert vai kopēt.

Satelīts palīdzēs zinātniekiem pārbaudīt atslēgas izplatību starp zem zemes stacijām un pašu satelītu.

Kvantu sakari Ķīnā tiks realizēti, pateicoties optisko šķiedru kabeļiem, kuru kopējais garums ir 2 tūkstoši kilometru un savieno 4 pilsētas no Šanhajas uz Pekinu. Fotonu sērija nevar tikt pārraidīta bezgalīgi, un jo lielāks attālums starp stacijām, jo lielāka iespēja, ka informācija tiks bojāta.

Pēc tam, kad kāds attālums ir izzudis, signāls zūd, un zinātniekiem, lai saglabātu pareizu informācijas pārraidi, ir vajadzīgs veids, kā atjaunināt signālu pēc katrām 100 km. Kabeļos tas tiek sasniegts, izmantojot pārbaudītus mezglus, kuros galvenais tiek analizēts, kopēts ar jauniem fotoniem un turpinās.

Nedaudz vēstures

1984.gadā Monreālas Universitātes Brassard J. un Bennett Ch. No IBM ierosināja, ka fotonus var izmantot kriptogrāfijā, lai iegūtu aizsargātu fundamentālo kanālu. Viņi ierosināja vienkāršu shēmu kvantitatīvai šifrēšanas atslēgu pārdalei, ko sauca par BB84.

Šajā shēmā tiek izmantots kvantu kanāls, caur kuru informāciju starp diviem lietotājiem pārraida polarizēto kvantu stāvokļu formā. Neuzklausītais klausītājs tos var izmēģināt, lai izmērītu šos fotonus, taču viņš to nevar izdarīt, kā minēts iepriekš, neizkropļojot tos. 1989. gadā IBM pētījumu centrā Brassard un Bennett izveidoja pirmo pasaules darba kvantu kriptogrāfisko sistēmu.

Kāda ir kvantu optiskā kriptogrāfiskā sistēma (KOKS)

COCS pamatfunkcijas (kļūdu līmenis, datu pārsūtīšanas ātrums utt.) Tiek noteiktas ar kanālu veidojošo elementu parametriem, kas ģenerē, pārraida un izmēra kvantu stāvokļus. Parasti COCS sastāv no pieņemšanas un pārsūtīšanas daļām, kuras ir savienotas ar pārraides kanālu.

Radiācijas avoti ir iedalīti 3 klasēs:

• Lāzeri;
• Mikrolazeri;
• Gaismas diodes.

Lai pārraidītu optiskos signālus kā vidē, izmantojiet optiskās šķiedras gaismas diodes, kas apvienotas dažāda dizaina kabeļos.

Kvantu līmēšanas noslēpuma raksturs

Pārejot no signāliem, kuros nosūtītā informācija tiek kodēta ar impulsiem ar tūkstošiem fotonu, uz signāliem, kuros vidējais impulss ir mazāks par vienu, kvantu likumi stājas spēkā. Šo likumu izmantošana ir klasiska kriptogrāfija, kas ļauj panākt slepenību.

Kīstajā kriptogrāfiskajā ierīcē tiek izmantots Heisenbergas nenoteiktības princips, un pateicoties tam, jebkurš kvantu sistēmas izmaiņu mēģinājums to maina, un pēc šādas mērīšanas iegūto formu nosaka pieņemtā puse kā nepatiesa.

Vai kvantu kriptogrāfija dod 100% garantiju pret uzlaušanu?

Teorētiski tas dod, bet tehniskie risinājumi nav pilnīgi droši. Uzbrucēji sāka izmantot lāzera staru, ar kuru tie akli kvantu detektori, pēc kuriem viņi vairs nereaģē uz fotonu kvantu īpašībām. Dažreiz tiek izmantoti daudzfotonu avoti, un krekeri var izlaist vienu no tiem un izmērīt identiskos.