Новые методики, основанные на фундаментальных законах физики, позволяют разрабатывать «непробиваемые» системы шифрования

Квантовые системы шифрования призваны ликвидировать ограничения систем шифрования открытым ключом, которые сейчас широко применяются в частных компаниях и государственных учреждениях для защиты критически важной информации от несанкционированного доступа.

Системы шифрования открытым ключом используют алгоритмы для кодирования и декодирования данных. Они подают на вход кодирующего алгоритма набор определенных параметров, называемых ключом, и текстовую информацию, которую следует закодировать. Системы генерируют открытые ключи, которые отправители могут использовать для шифрования защищенного сообщения. Получатель расшифровывает сообщение с помощью частного ключа.

Защита на основе ключей предполагает использование случайно выбранной строки битов. Многие системы шифрования открытым ключом используют числа длиной более 100 разрядов. Но даже такие шифры могут в конце концов быть взломаны с помощью новых алгоритмов или мощного вычислительного устройства, которое в состоянии разложить это число на два сомножителя меньшей длины.

«Есть опасность, что шифрование открытым ключом окажется ненадежным», — заметил Пол Квайт, сотрудник лаборатории в Лос-Аламосе.

Чтобы гарантировать защиту данных на протяжении долгих лет в будущем, физики должны использовать квантовые механизмы для создания системы шифрования с ключом, который невозможно взломать. Квантовая криптографическая система генерирует код, созданный из наборов отдельных фотонов с различной поляризацией или другими свойствами. Направление, в котором происходят колебания электрического поля фотона, соответствует нулям и единицам машинного языка.

Ричард Хугес, сотрудник лаборатории в Лос-Аламосе, уже показал, что квантовое шифрование позволяет пересылать защищенные сообщения по оптическому кабелю на расстояние 48 км — и 1,6 км по воздуху.

Потенциальные недостатки

Однако квантовое шифрование имеет ряд недостатков. Например, если импульсы будут иметь больше одного фотона, то через пять — десять лет злоумышленники научатся «красть» фотоны из сигнала и тайно собирать информацию о ключе шифрования.

Ученые работают над новым видом квантового шифрования, который основан на явлении, получившем название квантовой запутанности. Если два фотона находятся в состоянии квантовой запутанности, то поляризация каждого фотона после их разъединения оказывается неопределенной, но даже когда запутанные частицы света находятся друг от друга на большом расстоянии, они влияют на свойства друг друга: каждый фотон может определять либо ноль, либо единицу, но после того, как поляризация одного фотона определена, второй фотон в паре должен иметь поляризацию, идентичную поляризации первого. В соответствии с законами квантовой механики свойства поляризации фотона могут представлять собой неопределенное состояние до тех пор, пока они не измерены. Затем фотон получает определенную поляризацию и может представлять конкретное значение для создания ключа.

Если Алиса и Боб попытаются определить ключ шифрования с помощью явления запутывания состояний квантовых частиц, каждый из них получит один фотон из пары. Они оба затем произвольным образом выбирают один из двух типов измерения поляризации и могут согласовать, какой из них использовать.

В тех случаях, когда используются разные типы измерений, результаты отбрасываются. Но когда Алиса и Боб выполняют идентичные измерения, запутанные фотоны порождают одни и те же результаты, которые можно преобразовывать в биты. Эта строка цифр затем служит в качестве случайно сгенерированной информации, необходимой для создания секретного ключа для кодирования и декодирования данных.

Ученые уверены, что явление запутывания состояний квантовых частиц в конечном итоге обеспечит более высокую скорость передачи и более высокий уровень защиты при передаче на дальние расстояния. По словам Квайта, запутывание состояний квантовых частиц может на первом этапе использоваться военными или в специализированных приложениях, поддерживающих парную природу подобных ключей. Он сказал, что эти решения также будут применяться для шифрования банковской информации при пересылке ее в филиалы или Internet-провайдерами для шифрования передаваемых ими данных.

«Тем не менее трудно рассчитывать на то, что квантовое шифрование будет широко использоваться в сетях», — добавил Квайт.

Квантовый Internet

Квантовые вычисления, квантовая телепортация, квантовый Internet. Все эти термины — из будущего вычислительной техники. Насколько оно отдаленное, это будущее, пока трудно предсказать, но эксперименты ученых уже дали результаты, которые подтверждают возможность создания таких систем. У нас в стране признанный специалист по квантовым вычислениям — Камиль Валиев, академик РАН, директор Физико-технологического института РАН. Наш еженедельник недавно опубликовал беседу с Валиевым и членом-корреспондентом РАН Александром Орликовским о путях развития вычислительных технологий XXI века (см. выпуск Computerworld Россия №24 от 27 июля 2000 года). Здесь же мы приводим фрагмент продолжения этой беседы, имеющий непосредственное отношение к «нерушимым кодам».

Квантовая телепортация

У квантового компьютера будет, возможно, и квантовый канал связи, основанный на эффекте, который называется «квантовая телепортация». Принцип квантовой телепортации основан на эффекте запутывания квантовых состояний двух частиц, который анализировался еще в 1935 году Эйнштейном — Подольским — Розеном. Запутанные состояния возникают при взаимодействии двух квантовых частиц и последующем их разъединении; при этом они оказываются в некоем «запутанном» состоянии, в котором состояние первой частицы строго коррелировано с состоянием второй. Существуют физические приборы для измерения подобных квантовых систем; например, в системе двух спинов, если один из них будет обнаружен в одном состоянии, то другой всегда будет в состоянии, диктуемом корреляцией, хотя давно с ним и не взаимодействует. То есть подобные корреляции были заложены именно в момент взаимодействия, после чего частицы были пространственно разъединены. Таким образом, квантовый канал связи — это генератор коррелированных пар и разнесенные в пространстве квантовые частицы. Естественно, при этом сохраняется информация, которая была заложена в момент корреляции; этим можно пользоваться для составления протокола квантовой телепортации.

Квантовая телепортация не противоречит фундаментальным физическим принципам, так как сама информация не передается быстрее скорости света. Все это — чистая физика, которая когда-нибудь воплотится в реальные приборы.

(Полностью статья Камиля Валиева «Квантовые компьютеры» опубликована в журнале «Открытые системы» № 5-6 за 2000 год)
Запутывание состояний квантовых частиц. Боб передает одну из частиц «запутанной» пары Алисе, которая выполняет одну из четырех операций на вентиле М. Затем Алиса возвращает частицу Бобу, который определяет состояние общей системы при помощи вентиля М для получения одного из четырех возможных сообщений (два бита информации), хотя отправлена была только одна частица (которая может находиться лишь в одном из двух состояний, то есть нести один бит информации).Квантовая телепортация. Боб отправляет одну из частиц пары Алисе, которая проводит совместные измерения над полученным пучком и своей частью пар, находящейся в неизвестном состоянии Х. Результат она передает (по «классическим» каналам связи) Бобу. Эту информацию он может использовать для помещения остающейся у него частицы (второй половины пары) в состояние Х.

Примечание: квантовые каналы связи обозначены зелеными линиями, классические — синими.