Összezavarja a kibontottat

Összezavarja a kibontottat

Ilya Ferapontov
"Népszerű Mechanika" №2, 2016

A kommunikációs csatorna maximális hossza, amely lehetővé teszi a kvantum-kriptográfia módszerét, csupán egy kicsivel több mint száz kilométer. Az orosz Quantum Center tudósai kifejlesztették a módot, hogy jelentősen növeljék ezt a távolságot.

Képzelje el, hogy mielőtt elküldené e-mailt egy barátjának, meg kell kapnia egy térképet, meg kell mérnie a távolságot a városban, ahol él, és ha kiderül, hogy ez a távolság több mint 100 km, akkor egy ceruzát és papírt egy sóhajjal, és vegye a szokásos " papír "levél – e-mail több mint 100 km, nem megy.

Abszurd helyzet? De éppen ez a helyzet a kvantumadatoknak a optikai távközlési vonalakon történő átvitelével – a rekordok átviteli távolsága itt még mindig csak valamivel több mint száz kilométer, és a normál, nem rekordvonalakon végzett stabil működés általában 40 km-re korlátozódik. Ez azt jelenti például, hogy a kvantumkommunikáció vonala Moszkván belül szervezhető, de nincs semmi, ami az adatok Szentpétervárra történő átvitelére gondolna. Milyen lehetőségek vannak a kvantum-kriptográfia számára a távközlés területén?

Bankjegyek és jegyzettömbök

A kvantum-kriptográfia története az 1960-as évek végén kezdődött, amikor a Columbia Egyetem hallgatója, Stephen Wisner Charles Bennet egykori társtársára felvázolta a kvantumbankjegyek eszméjét, amely elvben nem lehet hamis, mivel ezt a természet törvényei kizárják. Az ötlet az volt, hogy több kvantum tárgyat helyezzen minden bankjegyre. Ezek például fotonokból álló csapdák, amelyek mindegyike két bázis egyikében egy bizonyos szögben polarizált – akár 0, akár 90, akár 45 és 135 fokos szögben. A sorozatszámot a bankjegyre nyomtatják, de a számnak megfelelő polarizációk és bázisok kombinációja (a polarizációval rendelkező vagy a polarizációval mérhető szűrők) csak a banknál ismert. Az ilyen bankjegyek hamisításáért a hamisítónak meg kell mérnie az egyes fotonok polarizációját, de nem tudja, hogy melyik alapon mindegyikük polarizált. Ha téved a bázissal, akkor a foton polarizációja megváltozik, és a hamisított bankjegy rossz polarizációval fog járni. A mennyiségi pénz még nem jelent meg, mert eddig nem volt elegendően megbízható csapdák létrehozása a fotonok számára.Ugyanakkor a Vizner ugyanezt az elvet javasolta az információvédelem érdekében, és ez a technológia most közel áll a megvalósításhoz.

Vizner ötleteit azonban nem ismerte fel azonnal. A hetvenes évek elején Wizner elküldte a kvantum-kriptográfia cikkét a folyóiratba IEEE tranzakciók információs elmélet, de a szerkesztők és a bírálók számára a cikk nyelvének túlságosan bonyolultnak tűnt. Csak 1983-ban, ez a cikk megjelent a folyóiratban ACM hírlevél Sigact hírek, és ő lett a történelem első kiadványa a kvantum-kriptográfia alapjairól.

Kezdetben Vizner és Bennett fontolóra vette a titkosított üzenetek kvantumos "hordozókkal" történő továbbítását, miközben a lehallgatás elrontaná az üzenetet, és lehetetlenné tette, hogy elolvashassa. Ezután egy jobb verzióval jöttek létre – kvantumcsatornák használata az egyszeri "titkosítófüzetek" – titkosítási kulcsok átvitelére.

Zárt boríték

A kvantumkommunikációs rendszerek az információs hordozók kvantum tulajdonságainak felhasználásán alapulnak. Ha a hagyományos telekommunikációs hálózatokban az adatokat a sugárzás vagy az elektromos oszcillációk amplitúdóján és frekvenciáján kódolják, kvantumhálózatokban az elektromágneses mező amplitúdójába vagy a fotonok polarizációjába van kódolva.Természetesen sokkal drágább és bonyolultabb felszerelésre van szükség, de ezek a trükkök igazoltak: az a tény, hogy az információ mennyiségi csatornákon keresztüli továbbítása száz százalékos védelmet biztosít a "wiretapping" ellen. A kvantummechanika törvényei szerint egy kvantum objektum tulajdonságainak mérése, például egy foton polarizációjának mérése elkerülhetetlenül megváltoztatja állapotát. A címzett látni fogja, hogy a fotonok állapota megváltozott, és ez elvben nem akadályozható meg – ezek a természet alapvető törvényei. Ezt hasonló analógiával lehet leírni: képzeljük el, hogy levelet küldünk zárt borítékban. Ha valaki megnyitja a levelet, és elolvassa, akkor a papír színe megváltozik, és a címzett elkerülhetetlenül meg fogja érteni, hogy a harmadik olvasta az üzenetet.

Az első protokoll

A kvantumkulcs-eloszlás első protokollját Gilles Brassard és Charles Bennett 1984-ben hozta létre, és a BB84-nek nevezték. Az adatátvitelhez a fotonokat négy különböző irányba polarizálják, két bázisban – 0 és 90 fokos szögben ("+" jelzéssel vagy 45 és 135 fokkal ("×").

Az üzenet feladója A (hagyományosan "Alice" -nek hívják) minden egyes fotont véletlenszerűen választott alapon polarizálja, majd elküldi a címzettnek B – Bob.Bob minden egyes fotont mér, véletlenszerűen kiválasztott alapon is. Ezután Alice egy nyílt csatornán keresztül elmeséli Bobnak a bázisainak sorrendjét, és Bob elvetti a rossz (páratlan) alapokat, és elmondja Alice-nak, hogy milyen adatok nem "teltek el". Ugyanakkor a mérések eredményeként kapott értékeket a nyitott csatorna nem tárgyalja.

Az információcsere így néz ki: ha egy kém (akiet általában "Eve" -nek hívnak angolul) lehallgatás – lehallgatás) a titkos kulcsot akarja elkapni, meg kell mérnie a fotonok polarizációját. Mivel nem ismeri az alapot, véletlenszerűen kell meghatároznia. Ha az alapot helytelenül határozzák meg, akkor az Eve nem fogja megkapni a helyes adatokat, és emellett megváltoztatja a foton polarizációját. A megjelenő hibák azonnal észlelik mind Alice-t, mind Bobot.

A legértékesebb információ a titkosítási kulcs. Ha a kulcs hossza megegyezik az üzenetével vagy még hosszabb, akkor elvileg nem lehet dekódolni az üzenetet anélkül, hogy tudnánk a kulcsot. Továbbra is szervezik a kulcsok biztonságos átvitelét, és pontosan ez adja a kommunikációs kvantumvonalakat. Azonban, amíg az ilyen sávok adatátviteli távolsága túl rövid: a hőzónák, a veszteségek, az optikai szálak hibái miatt a fotonok nem "túlélik" nagy távolságokon.

Kvantumgombok

Számos kutatócsoport szerte a világon olyan eszközöket fejleszt ki, amelyek "kvantumadatok" kinyerését szolgálják, úgynevezett kvantumismétlőkkel, amelyek "felélénkítik" a fotonokat. Az Orosz Kvantumközpont kutatóinak egy csoportja, Alexander Lvovsky professzor vezetésével találtak módot a fotonok tulajdonságainak helyreállítására, és kísérletileg megerősítették ennek a módszernek a hatékonyságát. A tudósok tanulmányozták a kvantumos összefonódás jelenségét, amelyben két vagy több tárgy – atomok, fotonok, ionok – állapotai kapcsolódnak egymáshoz. Ha megmérjük a párhuzamos fotonok egyikének állapotát, akkor a második állapota azonnal meghatározóvá válik, és mindkettő állapotát egyértelműen összekapcsoljuk – például ha egy fotont függőlegesen polarizálunk, akkor a második vízszintes és fordítva.

A boncolás a fülnél

A kvantumadat-átvitelre vonatkozó első sikeres kísérletet Bennett és Gilles Brassard végezte 1989. október végén, amikor 32,5 cm-es távolságban biztonságos kvantumkommunikációt telepítettek, de a készülék megváltoztatta a fotonok polarizációját, de a tápegység zajszintenként eltérő volt milyen polarizáció volt. Így az emberek körül lehetett szabadon különbséget tenni a nullák és a fül között.Ahogy Brassard írja, "prototípusunkat védették minden lehallgatótól, aki süket lett volna". 2007 októberében a kvantum-kriptográfiai módszereket először egy nagyszabású projektben használták fel. Kvantumbiztonsági kommunikációs rendszer, amelyet egy svájci vállalat fejlesztett ki Id quantique, arra használták fel, hogy adatokat szolgáltasson a svájci kantonban tartott parlamenti választásokon való szavazás eredményeiről. Így a svájci hangok védettek, mint semmilyen más információ.

"Ha két távoli partner között két egymásba ágyazott fotont oszt el, akkor mindketten ugyanazt a sorrendet kapják, amely titkosítási kulcsként használható, mert ez egy valóban véletlen sorrend, amelyet nem lehet kitalálni vagy kiszámítani. a korreláció elvész, és a kulcsot már nem távolítják el tőlük "- magyarázza Alexander Lvovsky.

A kihívás az, hogy megőrizzük a kvantumos összefonódás állapotát, amikor nagy távolságokról sugároznak. Eddig ez nagy probléma volt. Még nem sikerült 100 km-nél nagyobb távolságban továbbítani a sodrott fotonokat száloptikai hálózatokon keresztül. BkörülbelülHosszú távolságokat, kvantumadatokat egyszerűen elveszít a zaj.A hagyományos távközlési hálózatokban különböző típusú repeatereket vagy jelerősítőket használnak, amelyek felerősítik a jel amplitúdóját és eltávolítják a zajokat, de kvantumadatok esetében ez a megközelítés nem működik. A fotont nem lehet "erősíteni", amikor megpróbálja mérni a paramétereit, a foton állapota megváltozik, ami azt jelenti, hogy a kvantum-kriptográfia minden előnye eltűnik.

Kvantumismétlő

A különböző országok tudósai megpróbálnak kvantumismétlő technológiát kifejleszteni – olyan eszközöket, amelyek képesek kvantuminformációkat újra létrehozni anélkül, hogy megsemmisítenék. Úgy tűnik, a Lviv-csoport megtalálta az utat, amely sikerhez vezethet. 2002-ben, kollégái kémiai kifejezéssel analóg módon felfedezték a "kvantumkatalizát" néven ismert különös hatást, ahol bizonyos reakciók csak egy különleges anyag – katalizátor jelenlétében – történhetnek. A kísérletben a fényimpulzus egy "segéd" egy fotonnal kevert egy részlegesen áteresztő tükörrel. Ezután a fotont "eltávolították". Úgy tűnik, hogy a fényimpulzus állapota nem változik. De a kvantum interferenciájának paradox tulajdonságai miatt a foton megváltoztatta a kvantum tulajdonságok fokozását.

"Abban az időben ez a jelenség nem csak egy furcsa jelenség volt, amely a kvantumfizikában számos, és most kiderül, hogy fontos gyakorlati alkalmazása van – lehetővé teszi, hogy rekonstruáljuk a kvantumállapotok összefonódását" – mondja Alexander Lvovsky.

Új munkájában, amelynek jelentését a folyóiratban megjelentették Természetes fotonika, a tudósok megtanulják újraegyesíteni a "kibontatlan" fotonokat. A kísérletben bekanyarodott fotonok forrásaként egy nemlineáris kálium-titanil-foszfát kristályt használtak egy periódikus doménszerkezettel. Titán-zafír lézer által létrehozott picos-szoros fényimpulzusokat "lőttek le". Ennek eredményeként bonyolult fotonpárok jöttek létre a kristályban, amelyet a tudósok két különböző optikai csatornára küldtek. Az egyikben a fényt 20-szoros gyengítésnek vetették alá sötétített üveg segítségével, aminek következtében az összekapcsolódás szintje majdnem nulla. Ez megfelel a 65 km-es hagyományos optikai kábel veszteségének. Ezután a csillapított jelet elküldtük a sugárelosztónak, ahol a kvantumkatalizálás folyamatát végeztük. Az Lvov-csoport tudósai ezt a folyamatot "kvantumlepárlásnak" nevezik, mivel kevesebb foton van a kimeneten,de az összekeveredés szintje szinte az eredetihez nő. "Az egymillió gyengén összefonódott fotonpárból nagyon megzavarodik, de ugyanakkor a korreláció szintje visszaáll az elsődlegesre, és bár az adatátviteli sebesség kissé csökken, stabilabb kapcsolatot tudunk elérni sokkal nagyobb távolságban" – mondja Alexander Lvov, egy Lvov kolléga.

Nem csak a kémekre

Ennek a technológiának köszönhetően lehetőség nyílik kereskedelmi felhasználásra alkalmas kvantumismétlők létrehozására. "Vannak más módszerek is erre, de nem világos, hogyan kell őket felhasználni a meglévő kvantumzáró források feltételeiben, és ez aránytalanul költségesnek tűnik, talán egyszerűbb és olcsóbb lesz a repeaterünk" – mondja Lvovsky. Véleménye szerint kedvező feltételek mellett az ilyen átjátszó első prototípusa négy-öt év alatt hozható létre. A piacon való megjelenése megnyitja az utat a kvantum-kriptográfia valóban tömeges alkalmazásához, amely komolyan meg fogja változtatni a katonaság vagy bankárok életét.

"Ez mindannyiunkra vonatkozik. A kvantum titkosítás nem csak katonai vagy kémszféra titkok, ezek hitelkártya számok, ezek orvosi feljegyzések.Mindannyiunknak sok a bizalmas információja, és minél nyitottabbá válik a világ, annál fontosabb, hogy ellenőrizzük a hozzáférést. "- mondja Lvovsky. információkat.


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: