Уникальная технология онлайн-безопасности, квантовое шифрование представляет собой способ защиты информации с помощью квантовой механики. Квантовая механика — это отрасль физики, которая изучает поведение элементарных частиц, таких как фотоны, электроны, протоны и т.д.

Квантовая механика показывает, что эти частицы имеют некоторые свойства, которые не подчиняются классическим законам физики, а зависят от вероятности и наблюдения. Например, одно из таких свойств — это квантовая запутанность. Квантовая запутанность означает, что две частицы могут быть связаны таким образом, что состояние одной частицы мгновенно влияет на состояние другой частицы, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга.

Квантовое шифрование использует квантовую запутанность и другие квантовые свойства для создания неподдельных и неперехватываемых ключей для шифрования и дешифрования данных.

На чем основана технология квантового шифрования?

Одним из наиболее распространенных методов квантового шифрования является протокол BB84, предложенный в 1984 году Чарльзом Беннеттом и Жильбером Брассаром. Протокол BB84 работает следующим образом:

• Алиса и Боб хотят обменяться секретным ключом для шифрования своих сообщений.
• Алиса генерирует случайную последовательность битов (0 или 1) и кодирует каждый бит в виде поляризации фотона (вертикальной или горизонтальной). Затем она отправляет эти фотоны по квантовому каналу связи (например, оптическому волокну) к Бобу.
• Боб принимает каждый фотон и измеряет его поляризацию с помощью случайно выбранного фильтра (вертикального или горизонтального). Затем он записывает результат измерения в виде бита (0 или 1).
• Алиса и Боб сравнивают по открытому каналу связи (например, по телефону) типы фильтров, которые они использовали для каждого фотона. Они отбрасывают те биты, для которых они использовали разные фильтры, и сохраняют те биты, для которых они использовали одинаковые фильтры. Эти биты образуют секретный ключ.
• Алиса и Боб проверяют, не был ли их квантовый канал подслушан третьей стороной (Евой). Для этого они выбирают случайную подпоследовательность битов из своего ключа и сравнивают ее по открытому каналу. Если биты совпадают, то это значит, что Ева не вмешивалась в передачу фотонов. Если биты не совпадают, то это значит, что Ева попыталась перехватить или изменить фотоны, и Алиса и Боб отбрасывают свой ключ и начинают процесс заново.

Какие методы квантового шифрования существуют?

Кроме протокола BB84, существуют и другие методы квантового шифрования, которые используют разные свойства квантовой механики для создания и передачи секретных ключей:

• Протокол E91. Этот протокол, предложенный в 1991 году Артуром Экертом, использует квантовую запутанность не только для передачи ключей, но и для их создания. В этом протоколе Алиса и Боб измеряют поляризацию запутанных фотонов, которые они получают от общего источника (например, от Евы). Затем они сравнивают свои результаты и вычисляют ключ на основе корреляции между ними. Преимущество этого протокола в том, что он не требует предварительного генерирования случайных битов Алисой.
• Протокол B92. Этот протокол, предложенный в 1992 году Чарльзом Беннеттом, является упрощенной версией протокола BB84. В этом протоколе Алиса кодирует свои биты в виде двух ортогональных состояний фотонов (например, вертикальной или диагональной поляризации). Затем она отправляет эти фотоны по квантовому каналу связи к Бобу. Боб измеряет поляризацию каждого фотона с помощью одного фильтра (например, диагонального). Если он получает результат (например, детектирует фотон), то он записывает бит 1. Если он не получает результат (например, не детектирует фотон), то он записывает бит 0. Затем Алиса и Боб сравнивают по открытому каналу связи типы фильтров, которые они использовали для каждого фотона. Они отбрасывают те биты, для которых они использовали разные фильтры, и сохраняют те биты, для которых они использовали одинаковые фильтры. Эти биты образуют секретный ключ.
• Протокол SARG04. Этот протокол, предложенный в 2004 году Валерио Скарани и другими, является модификацией протокола BB84. В этом протоколе Алиса кодирует свои биты в виде четырех состояний фотонов (например, вертикальной, горизонтальной, диагональной или антидиагональной поляризации). Затем она отправляет эти фотоны по квантовому каналу связи к Бобу. Боб измеряет поляризацию каждого фотона с помощью случайно выбранного фильтра (вертикального или диагонального). Затем Алиса и Боб сравнивают по открытому каналу связи типы фильтров, которые они использовали для каждого фотона. Они отбрасывают те биты, для которых они использовали разные фильтры, и сохраняют те биты, для которых они использовали одинаковые фильтры. Затем они вычисляют ключ на основе совпадения или несовпадения поляризации фотонов.

В чем состоят главные преимущества квантового шифрования?

Квантовое шифрование имеет ряд преимуществ перед классическим шифрованием, таких как:

• Неподдельность. Квантовое шифрование гарантирует, что ключи, которые обмениваются Алиса и Боб, являются уникальными и не могут быть скопированы или подделаны. Это связано с тем, что квантовые частицы не могут быть клонированы без нарушения закона сохранения квантовой информации (теорема о невозможности клонирования).
• Неперехватываемость. Квантовое шифрование гарантирует, что ключи, которые обмениваются Алиса и Боб, не могут быть перехвачены или прочитаны третьей стороной (Евой). Это связано с тем, что квантовые частицы не могут быть измерены без воздействия на них и изменения их состояния (принцип неопределенности Гейзенберга). Таким образом, любая попытка Евы перехватить или изменить фотоны приведет к тому, что Алиса и Боб обнаружат ее присутствие и откажутся от своего ключа.

Где применяется квантовое шифрование?

Квантовое шифрование может применяться в разных областях и сферах деятельности, где требуется высокий уровень защиты информации, к примеру:

• В банковском секторе. Квантовое шифрование может использоваться для защиты финансовых транзакций, платежных систем, биржевых операций и т.д.
• В правительственном секторе. Квантовое шифрование может использоваться для защиты государственных секретов, военной связи, выборных систем и т.д.
• В научном секторе. Квантовое шифрование может использоваться для защиты научных данных, исследований, патентов и т.д.