Китайские исследователи отправят в космос квантовое послание, которое невозможно взломать
Неразрушаемые квантовые сообщения теперь можно отправлять по воздуху, и вскоре они будут отправлены в космос.
Исследователи из Университета науки и технологий Китая (USTC) в 2018 году разработали, как тайно обмениваться «квантовыми ключами» между орбитальными спутниками и наземными станциями, как ранее сообщала Live Science. Это сделало соединение между китайским спутником Micius и тремя наземными объектами в Европе и Азии, безусловно, крупнейшей безопасной квантовой сетью в мире. Но инструмент квантовой секретности, который первоначально использовал Мициус, имел несколько утечек, что потребовало от ученых разработки более продвинутой формы квантового шифрования, известной как независимое от измерительных устройств квантовое распределение ключей (MDI-QKD). Теперь те же самые исследователи впервые реализовали MDI-QKD по беспроводной сети через город в Китае, без использования волоконной оптики. И они готовятся отправить MDI-QKD в Micius.
“Результаты китайской группы [are] очень интересно для сообщества квантовых коммуникаций », – сказал Дэниел Облак, исследователь квантовых коммуникаций из Университета Калгари в Онтарио, который не участвовал в эксперименте.
По его словам, это открывает дверь в практические сети с квантовым шифрованием, в которых используются спутники и оптоволоконные кабели, работающие в тандеме, что невозможно при современных технологиях.
Квантово-безопасные сообщения
Каждый бит защищенных данных, которые вы когда-либо отправляли со своего телефона – например, инструкции в ваш банк через мобильное приложение или сообщения Whatsapp с мамой – транслировались на огромные расстояния, заполненные потенциальными хакерами. Но любые подслушивающие устройства, вероятно, не могли понять эту информацию, потому что она была преобразована в тарабарщину, которую можно было расшифровать только с помощью безопасного ключа, в основном длинной строки чисел. Эта строка чисел перемешивается с информацией, которую она защищает, и только тот, кто знает эту строку, может расшифровать их.
Однако эти системы не идеальны и уязвимы для атак со стороны любого, кто подслушивал, когда был передан ключ. Согласно книге бельгийского криптографа Жиля Ван Аша, они также обычно не используют достаточно длинные строки чисел, чтобы быть в полной безопасности даже от тех, кто не слушал ключ.Квантовая криптография и извлечение секретных ключей“(Cambridge University Press, 2006).
Итак, в 1980-х годах исследователи разработали теоретический метод генерации безопасных ключей с использованием квантовой механики. Они выяснили, что секретные ключи могут быть закодированы в квантовые свойства отдельных частиц и тайно обмениваться туда и обратно. Преимущество этого «квантового распределения ключей» (QKD) состоит в том, что квантовая физика диктует, что сам акт наблюдения за частицей непоправимо изменяет ее. Таким образом, любые шпионы, пытавшиеся перехватить квантовый ключ, могли быть немедленно обнаружены по изменениям в частицах.
Обеспечение безопасности квантового хранилища
В последние годы, когда исследователи начали создавать прототипы сетей распределения квантовых ключей с использованием фотонов (легких частиц), в системе обнаружился важный недостаток – «атаки по побочному каналу» могли перекачивать копии квантового ключа непосредственно из приемника, исследование, опубликованное в 2012 год в журнале Письма с физическими проверками найденны.
Поэтому исследователи разработали MDI-QKD, назвав его в той статье 2012 года «простым решением для удаления всех (существующих и еще не обнаруженных) боковых каналов детектора».
В MDI-QKD и отправитель, и получатель сообщения одновременно отправляют свои квантовые ключевые фотоны (а также ловушки) третьей стороне. Каждый фотон содержит единственный бит информации: единицу или ноль. Третья сторона не должна быть в безопасности, и она не может прочитать информацию, которую передают фотоны.
“Все, что он может сказать, – это связь между [photons]», – сказал Вольфганг Титтель, эксперт по квантовым коммуникациям из QuTech, сотрудничества между Делфтским технологическим университетом в Нидерландах и Нидерландской организацией прикладных научных исследований. Он может просто сказать,« одинаковы они или разные ».
Когда отправитель и получатель отправляют единицу или ноль, они получают сообщение от реле, в котором говорится, что они отправили один и тот же бит. Если они отправляют разные номера, реле передает, что они отправили разные номера. Хакер, шпионивший за реле, мог только сказать, были ли фотоны одинаковыми или разными, но не представляли они единицу или ноль.
«Но, конечно, люди, отправившие штаты, знают, что они отправили, поэтому они знают, что отправил другой человек», – сказал Титтел Live Science.
Все эти единицы и нули составляют безопасный квантовый ключ, и хакер не может определить, что это такое.
Но у MDI-QKD есть свои проблемы, сказал Титтель, не участвовавший в этом последнем эксперименте. Это требует, чтобы оба фотона приходили на реле в одно и то же время.
«Мы обнаружили, что это сложно из-за изменений температуры устройства», – сказал он, что может испортить время.
И это с использованием специальных оптоволоконных кабелей. Отправка фотонов по воздуху требует учета атмосферной турбулентности, что делает выбор времени еще более непредсказуемым.
Вот почему новый эксперимент так впечатляет, сказал Титтель. В то время как Китай выполняет стандартную QKD с Micius с 2018 года, до сих пор никто не придумал, как использовать более надежную систему шифрования на больших расстояниях без оптоволоконных кабелей для передачи фотонов туда и обратно.
В новом исследовании исследователи отправили секретный ключ MDI-QKD через 11,9 миль (19,2 километра) по открытому воздуху между двумя зданиями в городе Хэфэй. Чтобы гарантировать, что фотоны достигают реле в одно и то же время, они разработали алгоритмы, позволяющие устройствам-отправителю и приемнику учитывать колебания в этом участке атмосферы.
Отправка MDI-QKD в космос потребует большего решения проблем, в том числе более совершенных алгоритмов, которые могут учитывать даже большие расстояния.
«Вторая проблема, которую мы надеемся преодолеть, связана с движением спутников», – сказал Цян Чжан, один из авторов статьи.
Движущаяся цель изменяет поведение фотонов способами, которые необходимо очень точно учитывать, чтобы понять смысл сигнала.
Титтель сказал, что движение спутника делает MDI-QKD «очень трудным», но вполне вероятно, что команда USTC могла бы это осуществить.
Если они это сделают, они разработают квантовую сеть, которую невозможно взломать ни одним из известных методов взлома кода. Это будет самая безопасная сеть дальней связи в мире.
В нашем Telegram‑канале вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
