Квантовая криптография простыми словами (гостевой пост Романа Душкина). Квантовая криптография

Технология квантового распределения криптографических ключей решает одну из основных задач криптографии - гарантированное на уровне фундаментальных законов природы распределение ключей между удаленными пользователями по открытым каналам связи. Криптографический ключ - это числовая последовательность определенной длины, созданная для шифрования информации. Квантовая криптография позволяет обеспечить постоянную и автоматическую смену ключей при передаче каждого сообщения в режиме одноразового «шифроблокнота»: на сегодняшний день это единственный вид шифрования со строго доказанной криптографической стойкостью.

История

Идея использовать квантовые объекты для защиты информации от подделки и несанкционированного доступа впервые была высказана Стефаном Вейснером в 1970 г. Спустя 10 лет ученые Беннет и Брассард, которые были знакомы с работой Вейснера, предложили использовать квантовые объекты для передачи секретного ключа. В 1984 г. они опубликовали статью, в которой описывался протокол квантового распространения ключа ВВ84.

Носителями информации в протоколе ВВ84 являются фотоны, поляризованные под углами 0, 45, 90, 135 градусов.

Позднее идея была развита Экертом в 1991 году. В основе метода квантовой криптографии лежит наблюдение квантовых состояний фотонов. Отправитель задает эти состояния, а получатель их регистрирует. Здесь используется квантовый принцип неопределенности Гейзенберга, когда две квантовые величины не могут быть измерены одновременно с требуемой точностью. Таким образом, если отправитель и получатель не договорились между собой, какой вид поляризации квантов брать за основу, получатель может разрушить посланный отправителем сигнал, не получив никакой полезной информации. Эти особенности поведения квантовых объектов легли в основу протокола квантового распространения ключа.

Алгоритм Беннета

В 1991 году Беннет для регистрации изменений в переданных с помощью квантовых преобразований данных использовать следующий алгоритм:

• Отправитель и получатель договариваются о произвольной перестановке битов в строках, чтобы сделать положения ошибок случайными.
• Строки делятся на блоки размера k (k выбирается так, чтобы вероятность ошибки в блоке была мала).
• Для каждого блока отправитель и получатель вычисляют и открыто оповещают друг друга о полученных результатах. Последний бит каждого блока удаляется.
• Для каждого блока, где четность оказалась разной, получатель и отправитель производят итерационный поиск и исправление неверных битов.
• Чтобы исключить кратные ошибки, которые могут быть не замечены, операции предыдущих пунктов повторяются для большего значения k.
• Для того чтобы определить, остались или нет необнаруженные ошибки, получатель и отправитель повторяют псевдослучайные проверки, а именно: получатель и отправитель открыто объявляют о случайном перемешивании позиций половины бит в их строках; получатель и отправитель открыто сравнивают четности (если строки отличаются, четности должны не совпадать с вероятностью 1/2); если имеет место отличие, получатель и отправитель, использует двоичный поиск и удаление неверных битов.
• Если отличий нет, после m итераций получатель и отправитель получают идентичные строки с вероятностью ошибки 2-m.

Реализация идеи квантовой криптографии

Схема практической реализации квантовой криптографии показана на рисунке. Передающая сторона находится слева, а принимающая - справа. Ячейки Покеля необходимы для импульсной вариации поляризации потока квантов передатчиком и для анализа импульсов поляризации приемником. Передатчик может формировать одно из четырех состояний поляризации. Передаваемые данные поступают в виде управляющих сигналов на эти ячейки. В качестве канала передачи данных может быть использовано оптоволокно. В качестве первичного источника света можно использовать и лазер.

На принимающей стороне после ячейки Покеля установлена кальцитовая призма, которая расщепляет пучок на два фотодетектора (ФЭУ), измеряющие две ортогональные составляющие поляризации. При формировании передаваемых импульсов квантов возникает проблема их интенсивности, которую необходимо решать. Если квантов в импульсе 1000, есть вероятность, что 100 квантов по пути будет отведено злоумышленником на свой приемник. В последующем, анализируя открытые переговоры между передающей и принимающей стороной, он может получить нужную ему информацию. Поэтому в идеале число квантов в импульсе должно быть около одного. В этом случае любая попытка отвода части квантов злоумышленником приведет к существенному изменению всей системы в целом и, как следствие, росту числа ошибок у принимающей стороны. В подобной ситуации принятые данные должны быть отброшены, а попытка передачи повторена. Но, делая канал более устойчивым к перехвату, специалисты сталкиваются с проблемой "темнового" шума (получение сигнала, который не был отправлен передающей стороной, принимающей стороной) приемника, чувствительность которого повышена до максимума. Для того, чтобы обеспечить надежную передачу данных, логическому нулю и единице могут соответствовать определенные последовательности состояний, допускающие коррекцию одинарных и даже кратных ошибок.

Дальнейшего повышения отказоустойчивости квантовой криптосистемы можно достичь, используя эффект EPR, который возникает, когда сферически симметричный атом излучает два фотона в противоположных направлениях в сторону двух наблюдателей. Фотоны излучаются с неопределенной поляризацией, но в силу симметрии их поляризации всегда противоположны. Важной особенностью этого эффекта является то, что поляризация фотонов становится известной только после измерения. Экерт предложил криптосхему на основе эффекта EPR, которая гарантирует безопасность пересылки и хранения ключа. Отправитель генерирует некоторое количество EPR фотонных пар. Один фотон из каждой пары он оставляет для себя, второй посылает своему партнеру. При этом, если эффективность регистрации близка к единице, при получении отправителем значения поляризации 1, его партнер зарегистрирует значение 0 и наоборот. Таким образом партнеры всякий раз, когда требуется, могут получить идентичные псевдослучайные кодовые последовательности. Практически реализация данной схемы проблематична из-за низкой эффективности регистрации и измерения поляризации одиночного фотона.

Экспериментальные реализации

2019: Испытания системы для квантовой защиты передачи данных на ВОЛС «Ростелекома»

2017

В России представлен квантовый телефон ViPNet

Технологию квантового 4D-кодирования впервые испытали в городских условиях

Как стало известно 30 августа 2017 года, исследователи из университета Оттавы успешно провели первые реальные испытания технологии квантового 4D-кодирования, передав зашифрованные сообщения между двумя станциями, расположенными на крышах высотных зданий, расстояние между которыми составляло 300 метров.

Технология

Традиционные технологии квантовых коммуникаций, уже используемые в некоторых местах для создания "невзламываемых" квантовых сетей, используют стандартную двоичную систему счисления, кодируя в одном фотоне один бит передаваемой информации. Некоторое время назад была изобретена технология так называемого многомерного квантового кодирования, которая позволяет удвоить объем информации, заключенной в одном фотоне света. Это, в свою очередь, позволяет каждому фотону нести одно из четырех значений - 00, 01, 10 и 11, вследствие чего технология получила название квантового 4D-кодирования. Помимо того, технологию отличает более высокий уровень защищенности от попыток преднамеренного вмешательства и большая устойчивость к влиянию посторонних факторов окружающей среды.

Эксперимент

Тест проводился на дистанции в 300 метров. В ходе эксперимента осуществлялась передача информации между двумя базовыми станциями, установленными на крышах зданий, которые предварительно были помещены внутрь деревянных коробок, защищающих их от непогоды. В таких условиях уровень ошибок при передаче данных составил 11%, что гораздо ниже уровня, требующегося для организации безопасного квантового коммуникационного канала. С учетом повторов и избыточной информации для коррекции ошибок, система смогла передать в 1,6 раза больше информации, чем система с обычным двухмерным квантовым кодированием, работающая в идеальных условиях.

Планы

Ученые планируют провести испытания системы квантового 4D-кодирования на дистанции в 3 километра, после чего рассчитывают увеличить дистанцию до 5,6 километров с использованием промежуточных станций и системы адаптивной оптики, предназначенной для компенсации искажений, вносимых атмосферой. В более долгосрочной перспективе исследователи планируют добавить большее количество "измерений кодирования", что, в свою очередь, позволит еще больше увеличить объем информации, упакованной в один фотон.

С точки зрения технологий квантовых коммуникаций окружающий мир является весьма "шумным" местом, заполненным препятствиями, движущимся воздухом и пронизанным электромагнитными сигналами. Как результат, передача сигнала в "шумной" городской среде на расстояние в 3 километра эквивалентна передаче такого же сигнала на спутник с базовой станции, расположенной в тихом изолированном месте, подчеркнули исследователи.

Создание защищенной сети в Китае

В июле 2017 года стало известно о том, что Китай строит "невзламываемую" коммуникационную сеть, в основе которой будет лежать принцип квантовой криптографии. Проект уже запущен в городе Цзинань. Как утверждает местная пресса, это исторический момент. Ранее "квантовый" канал связи был организован между двумя крупнейшими городами Китая.

К 25 июля 2017 года в цзинаньской сети насчитывается 200 абонентов - представители военных, правительственных организаций, а также финансового и энергетического сектора. Они смогут общаться, не опасаясь прослушки.

Квантовая криптография - метод защиты коммуникаций, основанный на принципах квантовой физики. В отличие от традиционной криптографии, которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, квантовая криптография сосредоточена на физике, рассматривая случаи, когда информация переносится с помощью объектов квантовой механики - при помощи электронов в электрическом токе, или, как в случае с проектом в Цзинане, фотонов в линиях волоконно-оптической связи.

Китай строит "невзламываемую" коммуникационную сеть, в основе которой будет лежать принцип квантовой криптографии

Ключевой особенностью такой системы является то, что любую атаку, любые попытки подслушивать будут немедленно обнаружены.

Технология квантовой криптографии опирается на принципиальную неопределенность поведения квантовой системы. Принцип неопределенности Гейзенберга гласит: невозможно одновременно получить координаты и импульс частицы, невозможно измерить один параметр фотона, не исказив другой. Иными словами, попытка измерения взаимосвязанных параметров в квантовой системе вносит в нее нарушения, разрушая исходные сигналы, - это означает возможность немедленного выявления перехватчика в канале связи.

Традиционная (математическая) криптография предусматривает, что попытки взломать ключи шифрования - это очень сложная математическая проблема; для ее решения требуются обширные вычислительные ресурсы.

Однако, чем дальше, тем мощнее становятся компьютеры, и тем длиннее должны становиться ключи шифрования. Вдобавок на подходе квантовые компьютеры, чья вычислительная мощность будет находиться на принципиально более высоком уровне, нежели у современной техники. Традиционная криптография может оказаться слишком слабой перед ними.

Перехват ключей в квантовой криптографии в принципе возможен, но, по вышеописанным причинам, злоумышленник не сможет не выдать себя.

Что характерно, Китай оказался впереди планеты всей в вопросе квантовой криптографии. Создание инфраструктуры для ее практической реализации - дело крайне затратное, и ни европейский, ни американский бизнес не спешили вкладываться в нее.

По его словам, он еще в 2004 году призывал ЕС активнее вкладываться в "квантовые" проекты, но безрезультатно.

Высокоскоростной квантовый шифратор МГУ

На базе технологии, созданной в рамках проекта Фонда перспективных исследований , будет создан высокопроизводительный шифратор с квантовым каналом распределения криптографических ключей для быстрой и абсолютно безопасной передачи информации по оптоволоконным линиям связи.

Грант Минобрнауки России

Как ожидается, 631-килограммовый спутник «Мо-цзы» (Micius), названный в честь китайского философа-легиста, будет находиться на орбите на расстоянии 500 км от земной поверхности в течение не менее двух лет.

По информации агентства «Синьхуа», установлена устойчивая связь для передачи данных между завершившим тесты спутником «Мо-цзы» и экспериментальной платформой для квантовой телепортации на станции Али в Тибете.

Несмотря на «фантастическое» название платформы для квантовой телепортации, она не имеет отношение к телепортации, описываемой в беллетристике.

На оборудовании «Мо-цзы» реализуется канал связи на основе пар так называемых запутанных фотонов - субатомных частиц, свойства которых зависят друг от друга. Ученые рассчитывают передавать один из фотонов со спутника в исследовательские центры в Китае и Австрии.

2016: Т8 и РКЦ создадут систему защищенной квантовой связи

2015

Acronis внедряет квантовое шифрование

30 сентября 2015 года компания Acronis сообщила о планах внедрить технологии квантового шифрования в свои продукты для защиты данных. Поможет ей в этом швейцарская ID Quantique, инвестором которой является созданный Сергеем Белоусовым фонд QWave Capital .

Компания Acronis займется разработкой технологий квантовой криптографии. Вендор планирует оснастить ими свои продукты и считает, что это обеспечит более высокий уровень безопасности и конфиденциальности. Acronis рассчитывает стать первой на рынке компанией, внедрившей подобные методы защиты.

Партнером Acronis по разработке квантовой криптографии станет швейцарская компания ID Quantique, с которой вендор заключил соглашение. ID Quantique - компания, связанная с генеральным директором Acronis Сергеем Белоусовым - он основатель фонда QWave Capital , одного из инвесторов ID Quantique.

Одна из технологий, которую Acronis планирует внедрить в свои решения - квантовое распределение ключа. Ключ шифрования передается по оптоволоконному каналу посредством одиночных фотонов. Попытка перехвата или измерения определенных параметров физических объектов, которые в этом случае являются носителями информации, неизбежно искажает другие параметры. В результате, отправитель и получатель обнаруживают попытку получения неавторизованного доступа к информации. Также планируется применить квантовые генераторы случайных чисел и шифрование , устойчивое к квантовым алгоритмам.

Технологии ID Quantique ориентированы на защиту информации в государственном секторе и коммерческих компаниях.

«Квантовые вычисления требуют нового подхода к защите данных, - заявил Сергей Белоусов . - Мы в Acronis убеждены, что конфиденциальность является одной из важнейших составляющих при комплексной защите данных в облаке. Сегодня мы работаем с такими ведущими компаниями, как ID Quantique, чтобы пользователи наших облачных продуктов получали самые безопасные решения в отрасли и были защищены от будущих угроз и атак».

В компании Acronis выражают уверенность - квантовое шифрование поможет избавить заказчиков (полагающих, что провайдер сможет прочесть их данные) от страха отправки данных в облако.

Эксперимент Toshiba

По мнению разработчиков новой технологии, лучший способ защитить информацию в сети – использовать одноразовые ключи для дешифрования. Проблема в безопасной передаче самого ключа.

Квантовая криптография для этого использует законы физики, в отличие от привычных методов, основанных на математических алгоритмах. Ключ в системе, созданной Toshiba , передается в форме фотонов, сгенерированных лазером - световые частицы доставляются по специальному оптоволоконному кабелю, не подключенному к интернету. Природа фотонов такова, что любые попытки перехвата данных изменяют эти данные и это немедленно детектируется, а поскольку одноразовый ключ должен иметь размер, идентичный зашифрованным данным, исключается повторное применение одного и того же шаблона, что делает декодирование без правильного ключа невозможным.

Квантовая криптография для мобильных устройств

Кван­то­вая крип­то­гра­фия - чрез­вы­чай­но на­деж­ный в тео­рии метод за­щи­ты ка­на­лов связи от под­слу­ши­ва­ния, од­на­ко на прак­ти­ке ре­а­ли­зо­вать его пока до­воль­но труд­но. На обоих кон­цах ка­на­ла долж­на быть уста­нов­ле­на слож­ная ап­па­ра­ту­ра - ис­точ­ни­ки оди­ноч­ных фо­то­нов, сред­ства управ­ле­ния по­ля­ри­за­ци­ей фо­то­нов и чув­стви­тель­ные де­тек­то­ры. При этом для из­ме­ре­ния угла по­ля­ри­за­ции фо­то­нов необ­хо­ди­мо точно знать, как ори­ен­ти­ро­ва­но обо­ру­до­ва­ние на обоих кон­цах ка­на­ла. Из-за этого кван­то­вая крип­то­гра­фия не под­хо­дит для мо­биль­ных устройств.

Уче­ные из Бри­столь­ско­го уни­вер­си­те­та пред­ло­жи­ли схему, при ко­то­рой слож­ное обо­ру­до­ва­ние необ­хо­ди­мо толь­ко од­но­му участ­ни­ку пе­ре­го­во­ров. Вто­рой лишь мо­ди­фи­ци­ру­ет со­сто­я­ние фо­то­нов, ко­ди­руя этим ин­фор­ма­цию, и от­прав­ля­ет их об­рат­но. Ап­па­ра­ту­ру для этого можно раз­ме­стить в кар­ман­ном устрой­стве. Ав­то­ры пред­ла­га­ют и ре­ше­ние про­бле­мы ори­ен­та­ции обо­ру­до­ва­ния. Из­ме­ре­ния про­из­во­дят­ся в слу­чай­ных на­прав­ле­ни­ях. Спи­сок на­прав­ле­ний может быть опуб­ли­ко­ван от­кры­то, но при рас­шиф­ров­ке будут учи­ты­вать­ся толь­ко сов­па­да­ю­щие на­прав­ле­ния. Ав­то­ры на­зы­ва­ют метод «неза­ви­си­мым от си­сте­мы от­сче­та кван­то­вым рас­пре­де­ле­ни­ем клю­чей»: rfiQKD.

Представьте себе, что прежде чем отправить электронное письмо приятелю, вы должны достать карту, измерить расстояние до города, где он живет, и если окажется, что это расстояние больше, чем 100 км, вы со вздохом берете карандаш и бумагу и беретесь за обычное «бумажное» письмо — электронная почта дальше, чем на 100 км, не ходит.

Абсурдная ситуация? Но именно так сейчас обстоят дела с передачей квантовых данных по оптоволоконным линиям связи — рекордная дальность передачи здесь до сих пор лишь немного превышает сотню километров, а устойчивая работа на нормальных, не рекордных линиях вообще ограничивается 40 км. Это означает, например, что линию квантовой коммуникации можно организовать внутри Москвы, а вот о передаче данных в Петербург пока нечего и думать. Каковы же перспективы квантовой криптографии в области дальней связи?

Вскрытие на слух

Первый успешный эксперимент по квантовой передаче данных был проведен Беннетом и Жилем Брассаром в конце октября 1989 года, когда защищенная квантовая связь была установлена на расстоянии 32,5 см. Установка меняла поляризацию фотонов, но при этом блок питания шумел по‑разному в зависимости от того, какой была поляризация. Таким образом, окружающие могли свободно различать нули и единицы на слух. Как пишет Брассар, «наш прототип был защищен от любого подслушивающего, который оказался бы глухим». В октябре 2007 года методы квантовой криптографии были впервые применены в широкомасштабном проекте. Система квантовой защищенной связи, разработанная швейцарской компанией Id Quantique, использовалась для передачи данных о результатах голосования на парламентских выборах в швейцарском кантоне Женева. Таким образом, голоса швейцарцев были защищены как никакая другая информация.

Банкноты и блокноты

История квантовой криптографии началась еще в конце 1960-х годов, когда студент Колумбийского университета Стивен Визнер изложил своему бывшему сокурснику Чарльзу Беннету идею квантовых банкнот, которые в принципе нельзя подделать, поскольку это исключают законы природы. Суть идеи состояла в том, чтобы поместить на каждую банкноту несколько квантовых объектов. Это могут быть, например, ловушки с фотонами, каждый из которых поляризован под определенным углом в одном из двух базисов — либо под углом 0 и 90, либо 45 и 135 градусов. Серийный номер напечатан на банкноте, но соответствующая номеру комбинация поляризаций и базисов (фильтров, с помощью которых фотону придается или измеряется его поляризация) при этом известна только банку. Чтобы подделать такую банкноту, фальшивомонетчик должен измерить поляризацию каждого фотона, но он не знает, в каком базисе поляризован каждый из них. Если он ошибется с базисом, то поляризация фотона изменится, и поддельная банкнота будет с неверной поляризацией. Квантовые деньги до сих пор не появились, поскольку пока не удалось создать достаточно надежных ловушек для фотонов. Однако тогда же Визнер предложил использовать тот же самый принцип для защиты информации, и эта технология сейчас уже близка к реализации.

Первый протокол квантового распределения ключей был создан Жилем Брассаром и Чарльзом Беннетом в 1984 году и получил название BB84. Для передачи данных используются фотоны, поляризованные в четырех разных направлениях, в двух базисах — под углом 0 и 90 градусов (обозначается знаком +) либо 45 и 135 градусов (x). Отправитель сообщения A (традиционно его называют «Алиса») поляризует каждый фотон в случайно выбранном базисе, а затем отправляет его получателю B — «Бобу». Боб измеряет каждый фотон, тоже в случайно выбранном базисе. После этого Алиса по открытому каналу сообщает Бобу последовательность своих базисов, и Боб отбрасывает неправильные (не совпавшие) базисы и сообщает Алисе, какие данные «не прошли». При этом сами значения, полученные в результате измерений, они по открытому каналу не обсуждают. Если шпион (его обычно называют «Евой», от английского eavesdropping — подслушивание) захочет перехватить секретный ключ, он должен будет измерять поляризацию фотонов. Поскольку он не знает базиса, он должен будет определять его случайным образом. Если базис будет определен неправильно, то Ева не получит верных данных, а кроме того, изменит поляризацию фотона. Появившиеся ошибки сразу обнаружат и Алиса, и Боб.

Идеи Визнера, однако, были признаны далеко не сразу. Еще в начале 1970-х годов Визнер отправил свою статью о квантовой криптографии в журнал IEEE Transactions on Information Theory, но редакторам и рецензентам язык статьи показался слишком сложным. Лишь в 1983 году эта статья увидела свет в журнале ACM Newsletter Sigact News, и именно она стала первой в истории публикацией об основах квантовой криптографии.

Первоначально Визнер и Беннет рассматривали вариант передачи зашифрованных сообщений с помощью квантовых «носителей», при этом подслушивание портило бы сообщение и не давало возможности его прочесть. Затем они пришли к улучшенному варианту — использованию квантовых каналов для передачи одноразовых «шифроблокнотов» — шифровальных ключей.

Закрытый конверт

Квантовые системы связи основаны на использовании квантовых свойств носителей информации. Если в обычных телекоммуникационных сетях данные кодируются в амплитуде и частоте излучения или электрических колебаний, то в квантовых — в амплитуде электромагнитного поля или в поляризации фотонов. Разумеется, потребуется значительно более дорогая и сложная аппаратура, но эти ухищрения оправданны: дело в том, что передача информации по квантовым каналам обеспечивает стопроцентную защиту от «прослушки». Согласно законам квантовой механики измерение свойств того или иного квантового объекта, например измерение поляризации фотона, неминуемо меняет его состояние. Получатель увидит, что состояние фотонов изменилось, и предотвратить это нельзя в принципе — таковы фундаментальные законы природы. Это можно описать такой аналогией: представьте себе, что вы пересылаете письмо в закрытом конверте. Если кто-то откроет письмо и прочитает его, цвет бумаги изменится, и получатель неминуемо поймет, что послание читал кто-то третий.

Самая ценная информация — это шифровальные ключи. Если ключ имеет длину, равную самому сообщению или еще длиннее, то расшифровать послание, не зная ключа, в принципе невозможно. Остается организовать защищенную передачу ключей, а это как раз и обеспечивают квантовые линии связи. Однако пока дистанция передачи данных для таких линий слишком коротка: из-за тепловых шумов, потерь, дефектов в оптоволокне фотоны не «выживают» на больших расстояниях.

Самая ценная информация — шифровальные ключи. Если ключ имеет длину, равную самому сообщению или еще длиннее, то расшифровать послание, не зная ключа, невозможно.

Квантовые ключи

Множество исследовательских групп по всему миру разрабатывают устройства «восстановления» квантовых данных — так называемые квантовые повторители, которые способны «оживлять» фотоны. Группа исследователей из Российского квантового центра под руководством профессора Александра Львовского нашла способ восстанавливать свойства фотонов и подтвердила в эксперименте работоспособность этого метода. Ученые занимались изучением феномена квантовой запутанности, при котором состояния двух или нескольких объектов — атомов, фотонов, ионов — оказываются связаны. Если состояние одного из пары запутанных фотонов измерить, то состояние второго немедленно станет определенным, причем состояния их обоих будут связаны однозначно — например, если один фотон окажется поляризован вертикально, то второй — горизонтально и наоборот.

«Если распределять пары запутанных фотонов между двумя удаленными партнерами, то они оба получают одну и ту же последовательность, которую можно использовать как шифровальный ключ, поскольку это истинно случайная последовательность, которую нельзя угадать или рассчитать. Если же кто-то попытается подсмотреть запутанные фотоны, корреляция между ними потеряется и из них больше нельзя будет извлечь ключ», — объясняет Александр Львовский.

Задача состоит в том, чтобы сохранить состояние квантовой запутанности при передаче на большие расстояния. До сих пор с этим возникали большие проблемы. По оптоволоконным сетям до сих пор не удавалось передавать запутанные фотоны на расстояние больше 100 км. На больших расстояниях квантовые данные просто теряются в шумах. В обычных телекоммуникационных сетях используют разные типы повторителей или усилителей сигнала, которые усиливают амплитуду сигнала и убирают шумы, но в случае с квантовыми данными этот подход не работает. Фотон нельзя «усилить», при попытке измерить его параметры состояние фотона изменится, а значит, все преимущества квантовой криптографии исчезают.

Квантовые повторители

Ученые из разных стран пытаются разработать технологию квантовых повторителей — устройств, способных «воссоздавать» квантовую информацию, не разрушая ее. Группа Львовского, кажется, нащупала путь, который может привести к успеху. Еще в 2002 году он и его коллеги обнаружили любопытный эффект, который был назван «квантовым катализом», по аналогии с химическим термином, где определенные реакции могут идти только в присутствии особого вещества — катализатора. В их эксперименте световой импульс смешивался со «вспомогательным» одиночным фотоном на частично пропускающем свет зеркале. Затем этот фотон «удаляли». Казалось бы, состояние светового импульса не должно было меняться. Но, в силу парадоксальных свойств квантовой интерференции, фотон менял его в сторону «усиления» квантовых свойств.

«В то время это явление выглядело не более чем курьезным феноменом, каковых в квантовой физике множество. Теперь же оказалось, что оно имеет важное практическое применение — позволяет восстановить запутанность квантовых состояний света», — говорит Александр Львовский.

В своей новой работе, отчет о которой был опубликован в журнале Nature Photonics, ученые научились заново запутывать «распутавшиеся» фотоны. В качестве источника запутанных фотонов в эксперименте они использовали нелинейный кристалл титанил-фосфата калия с периодической доменной структурой. Его «обстреливали» пикосекундными импульсами света, которые генерировал титан-сапфировый лазер. В результате в кристалле рождались запутанные пары фотонов, которые ученые отправляли в два разных оптических канала. В одном из них свет подвергался 20-кратному ослаблению с помощью затемненного стекла, в результате чего уровень запутанности падал почти до нуля. Это соответствует уровню потерь в 65 км обычного оптоволоконного кабеля. Затем ослабленный сигнал направляли на светоделитель, где и проходил процесс квантового катализа. Ученые из группы Львовского называют этот процесс «квантовой дистилляцией», поскольку на выходе остается меньше фотонов, зато их уровень запутанности возрастает почти до исходного. «Из миллиона слабо запутанных пар фотонов получается одна сильно запутанная. Но при этом уровень корреляции восстанавливается до первичной, и хотя скорость передачи данных несколько снижается, мы можем получить устойчивую связь на значительно большем расстоянии», — говорит коллега Львовского Александр Уланов.

Не только для шпионов

На основе этой технологии можно будет создавать квантовые повторители, пригодные для коммерческого использования. «Для этого есть и другие методы, но как их использовать в условиях существующих источников квантовой запутанности, непонятно. Это оказывается непропорционально дорого. Возможно, наш повторитель будет и проще, и дешевле», — говорит Львовский. По его мнению, при благоприятных условиях первый прототип такого повторителя может быть создан через четыре-пять лет. А появление его на рынке может открыть дорогу действительно массовому применению квантовой криптографии, что серьезно изменит жизнь не только военных или банкиров.

«Это касается каждого из нас. Квантовая криптография — это не только какие-то военные или шпионские секреты, это номера кредитных карточек, это истории болезни. У каждого из нас масса конфиденциальной информации, и чем более открытым становится мир, тем важнее для нас контролировать доступ к ней», — говорит Львовский. Использование квантовых методов передачи шифровальных ключей может серьезно ослож­нить жизнь злоумышленников, у которых теперь не будет возможности перехватить и расшифровать информацию.

Одним и, наверное, единственным практическим успехом квантовой информатики на сегодняшний день стало появление квантовой криптографии. В настоящий момент существуют и коммерчески доступны устройства квантовой криптографии, созданные на описанных ниже принципах.

Задача криптографии заключается в защите от прослушивания сообщения при передаче его по незащищенному каналу. Решение заключается в том, что нужно предварительно обменяться секретными данными - ключом - и использовать его для передачи сообщения, применяя шифрование . Доказано, что такой подход может обеспечить абсолютную надежность при условии, что размер ключа не меньше размера самого передаваемого сообщения. Неудобство такого подхода очевидно, поэтому на практике применяется компромиссный метод, в котором ключ существенно меньше сообщения, но характер используемых криптопреобразований таков, что не существует алгоритма, позволяющего за приемлемое для взломщика время восстановить исходное сообщение из подслушанных им данных.

Пространство квантовых состояний

Квантовая система, находящаяся в состоянии А, изображается:

В случае, если состояние A = 0, то кет-вектор обозначают как и говорят, что в данном случае квантовая система не существует.

Представление системы в виде волновой функции эквивалентно представлению в виде вектора состояния , то есть:

Множество кет-векторов образует комплексное векторное пространство (определено умножение векторов на комплексные числа).

Следовательно, для любого комплексного числа α верно следующее утверждение:

Произвольный вектор пространства может быть представлен как линейная комбинация базисных векторов:

Суперпозиция квантовых состояний

Пусть и - представления произвольной квантовой системы в виде волновых функций , тогда суперпозицией данных функций называется такая волновая функция , что:

Для кет-векторов:

Пусть и - представления произвольной квантовой системы в виде кет-векторов, тогда суперпозицией данных векторов называется такой кет-вектор , что:

Сопряженное пространство

Каждому кет-вектору сопоставим сопряженный ему бра-вектор

Причем, если , то

Множество бра-векторов образует сопряженное пространство состояний. Сопряженные пространства эквивалентны друг другу.

Скалярное произведение

Каждой паре векторов и по некоторому правилу сопоставим комплексное число - скалярное произведение

Если состояния изображаются волновыми функциями, то

Два вектора ортогональны, если

В N-мерном прос-ве любая совокупность из N взаимно ортогональных векторов составляет линейно независимую систему и может использоваться в качестве (ортогонального) базиса. Такой базис называется ортонормированным, если нормирован каждый из базисных векторов. Набор векторов называют ортонормированным, если все вектора в нем единиичные и любые два различных вектора ортогональны, то есть для всех индексов i и j, причем

Различение квантовых состояний

Различимость квантовых состояний проще всего понять на примере игры с двумя участниками - Алисой и Бобом. Алиса выбирает состояние из некоторого фиксированного набора состояний, известного обоим участникам. Она передает состояние Бобу, цель которого - определить индекс i этого состояния.

Предположим, что состояния образуют ортонормированный набор. Тогда Боб может различить эти состояния с помощью квантового измерения, операторы которого задаются следующим образом: - по одному на каждый индекс i, плюс, дополнительный оператор измерения M0, равный квадратному корню из неотрицательного определенного оператора I:

Эти операторы удовлетворяют условию полноты , и если приготовлено состояние , то , то есть результат i получается с вероятностью 100%. Следовательно, можно с уверенностью утверждать, что можно различить ортонормированные состояния

Напротив, если состояния не образуют ортонормированного набора, то можно доказать, что не существует квантового измерения, различающего эти состояния. Идея заключается в том, что Боб будет делать измерение, описываемое операторами Mj, дающими результаты j. В зависимости от результата измерения Боб пыатется угадать, какому индексу i соответствовало исходное состояние. Для этого он использует некоторое правило (функцию i = f(j)). Причина, по которой Боб не может различить неортогональные состояния и состоит в следующем: раскладывается в сумму компоненты, параллельной вектору , и компоненты, ортогональной вектору . Пусть j - такой результат измерения, что f(j) = 1, то есть Боб определяет, что сначала система была в состоянии , если он получает в качестве результата j. Но поскольку у вектора есть составляющая, параллельная вектору , существует ненулевая вероятность того, что результат j был получен и в том случае, когда исходным было состояние .

Принципы безопасности квантового распределения ключа

Принцип неопределенности Гейзенберга

Безопасность основана на том, что если злоумышленник будет использовать несовпадающий базис, то состояние будет изменено.

Принцип обнаружения подслушивающего

Утверждение: при попытке различить два неортогональных квантовых состояния извлечение информации сопровождается возмущением сигнала.

Пусть и - неортогональные квантовые состояния, о которых Ева пытается получить информацию. Тогда процесс, который Ева использует для получения, представляет собой унитарное взаимодействие состояния или с вспомогательной системой, приготовленной в стандартном состоянии . Допуская, что этот процесс не нарушает ни одно из состояний получаем

Для Евы желательно, чтобы и были различными, с тем, чтобы она могла получить информацию о состоянии.

Однако, поскольку скалярные произведения сохраняются при унитарных преобразованиях, должны выполняться следующие равенства

откуда следует, что и должны совпадать. Таким образом, установление различия между и должно неизбежно нарушить, по меньшей мере, одно из этих состояний. Итак, проверяя переданные данные состояния на предмет нарушения, Алиса и Боб получают верхнюю оценку любого шума и подслушивания, которые имеют место в их канале связи.

Теорема о невозможности клонирования квантовых состояний

Предположим, что у нас есть квантовая машина с двумя слотами,

обозначенными как А и Б. Слот А, слот данных, вначале находится в неизвестном, но чистом квантовом состоянии . Это то самое состояние, которое должно быть скопировано в слот Б, целевой слот.

Предположим, что целевой слот изначально находится в некотором стандартном чистом состоянии . Следовательно, начальное состояние копирующего устройства имеет вид

Некоторое унитарное преобразование U производит процедуру копирования, которая в идеальном виде выглядит так:

Пусть данная процедура копирования выполняется для двух чистых состояний и . Тогда имеем,

Взяв скалярное произведение этих двух уравнений получим:

Но такое уравнение имеет только два решения: 0 и 1, поэтому либо = , либо и ортогональны. Следовательно, устройство копирования может копировать только те состояния, которые ортогональны друг другу и поэтому универсальное квантовое устройство копирования невозможно.

Потенциальное квантовое устройство копирования не может, например, копировать кубитовые состояния = и , поскольку эти состояния не ортогональны.

Принцип кодирования для протокола BB-84

Алиса начинает с двух строк a и b, каждая из которых содержит случайных классических битов. Затем она кодирует эти строки блоком кубитов по формуле:

где ak - k-тый бит a (и так же для b), а состояния задаются как

Полученные состояния отправляются Бобу. Боб измеряет принимаемые фотоны в одном из двух базисов, выбираемых независимо от Алисы, затем изменяет каждый кубит в базисе случайным образом. Для каждого переданного состояния Боб открыто сообщает в каком базисе проводилось измерение кубита . Алиса открыто вообщает в каких случаях ее базис совпал с базисом Боба. Если базисы совпали - бит оставляют. Если нет - игнорируют. В таком случае ключ прорежается примерно на 50%. Такой ключ называется "просеянным". В итоге Боб и Алиса имеют (при условии отсутствия подслушивания и шумов в канале связи) полностью коррелироавнную строку случайных битов.

В случае, если имело место прослушивание, по величине ошибки в канале связи Алиса и Боб могут оценить максимальное количество информации, доступное Еве. Считается, что в случае, если ошибка в канале не превышает 11%, то информация, доступная Еве, заведомо не превосходит взаимной информации между Алисой и Бобом, следовательно, передача данных возможна.

Важно отметить, что канал связи между Алисой и Бобом не должен быть конфиденциальным, но обязан быть аутентифицированным. То есть любой злоумышленник может получать из него информацию, но не может изменять её.

Квантовая криптография в применении к классической криптографии

Алгоритм Шора

Выберем q - степень двойки между и 2.

Предположим, что r|q (простой случай). Тогда применим операцию Уолша-Адамара к первому регистру Получем:

Вычислим mod n (тоже за логарифм):

Пронаблюдаем второй регистр, получим mod n для случайного s < r, а в первом - суперпозиция s, r+s, 2r+s, ..., q-r+s:

Снова применим операцию Уолша-Адамара:

Сумма в скобках не равна нулю в случае, если частное rb и q - целое число, то есть ненулевая амплитуда будет только у чисел, делящихся на q/r.

Пронаблюдав первый регистр получим случайное число вида cq/r. То есть с большой вероятностью (а точнее - порядка 1/(loglog(q)) c и r взаимно просты. Сократив получившуюся дробь получаем r.

Сложный случай: r |/q На последнем шаге все равно будет дробь типа b/q, но:

На интервале длины 1/q < 1/ будет не больше одной дроби со знаменателем меньше n. Эта дробь должна быть c/r.

Этот же алгоритм подойдет и для дискретного логарифма, ведь на самом деле ищется период элемента x некоторой коммутативной группы.

Если даны G = , n = |G| и y = , то можно найти период y (то есть такое минимальное r, для которого = 1 и сразу получится x = n/r.

Следовательно, алгоритм Шора применим ко всем коммутативной криптографии.

Алгоритм Гровера

Пусть дана булева функция . Цель: найти хотя бы один корень уравнения f(x) = 1. На классическом компьютере, если f - произвольна нам понадобится O(N) операций, где , то есть, полный перебор. Если f в конъюнктивой нормальной форме - то данная задача является NP-полной.

К сожалению, или к счастью, не известен квантовый(а классический тем более) для решения данной задачи за полиномиальное время. Но алгоритм Гровера позволяет получить квадратичное ускорение для полного перебора - за .

Описание алгоритма:

Используя n+1 кубит, мы приготавливаем первые n кубитов в суперпозицию всех возможных состояний, а последний в суперпозицию «нуля» и «единицы», но со «знаком минус» у «единицы». Тогда действуя раз оператором поворота, мы получаем состояние, при измерении которого с очень высокой вероятностью получаем решение уравнения.

Применение алгоритма:

Гроверовский «подскок амплитуды» является, по-видимому, фундаментальным физическим феноменом в квантовой теории многих тел. Например, его учет необходим для оценки вероятностей событий, которые кажутся «редкими». Процесс, реализующий схему GSA, приводит к взрывному росту первоначально пренебрежимо малой амплитуды, что способно быстро довести ее до реально наблюдаемых величин.

Алгоритм Гровера также может быть использован для нахождения медианы и среднего арифметического числового ряда. Кроме того, он может применяться для решения NP-полных задач путем исчерпывающего поиска среди множества возможных решений. Это может повлечь значительный прирост скорости по сравнению с классическими алгоритмами, хотя и не предоставляя «полиномиального решения» в общем виде.

Строго доказано, что время работы алгоритма Гровера для поиска информации в неупорядоченной базе данных равно корню квадратному от того времени, что необходимо для аналогичного поиска компьютеру классическому. Но, более того, квадратный корень – это вообще наилучший результат, который может быть теоретически достигнут.

Квантовые компьютеры

История развития квантовых компьютеров

Исследователям из Массачусетского технологического института удалось впервые распределить один кубит между тремя ядерными спинами в каждой молекуле жидкого аланина или молекулы трихлороэтилена. Такое распределение позволило использовать «запутанность» для неразрушающего анализа квантовой информации.

В марте ученые из Национальной лаборатории в Лос Аламосе объявили о создании 7-кубитного квантового компьютера в одной единственной капле жидкости.

Демонстрация вычисления алгоритма Шора специалистами из IBM и Стэнфордского университета на 7-кубитном квантовом компьютере.

В институте квантовой оптики и квантовой информации при Иннсбрукском университете впервые удалось создать кубайт (сочетание 8 кубитов) с помощью ионных ловушек.

Канадская компания D-Wave продемонстрировала первый 16-кубитный квантовый компьютер, способный решать целый ряд задач и головоломок, типа судоку.

С 2011 года D-Wave предлагает за $11 млн долларов квантовый компьютер D-Wave One с 128-кубитным чипсетом, который выполняет только одну задачу – дискретную оптимизацию.

Современные квантовые компьютеры

MagicQ

Основана в 1999 году в США для целей армии США и флота, NASA, DARPA, JTRS. В 2004 году на основе устройств Magic QPN 8505 в DARPA была создана первая в мире сеть с использованием квантовых технологий.

Квантовый канал объединил три ВУЗа, принимавших участие в разработке.

id Quantique

Компьютеры D-Wave

Компания D-Wave представила компьютерную систему, построенную на основе принципиально нового вида процессора. Система называется D-Wave One.

Процессор D-Wave One (кодовое имя Rainier) разработан для выполнение одной единственной математической операции - дискретной оптимизации. Это процессор специального назначения. В процессе разработки приложений D-Wave One используется только в тех частях программы, которые непосредственно решают задачу оптимизации. Остальные части приложения работают на традиционных системах.

Rainer решает задачу оптимизации используя квантовый отжиг (quantum annealing, QA), который относится к классу методов, основанных на использовании квантовых эффекты для поиска оптимального решения в кратчайшее время. Так как D-Wave One является квантовым компьютером, многие склонны думать, что разработка приложений для такой системы может быть действительно сложным делом. Основная сложность возникает из за необходимости объединить знания из областей, которые обычно не пересекаются, таких как квантовая физика и машинное обучение.

Проблемы перехода на квантовые компьютеры

Стоимость

Канадская компания D-Wave выпустила в продажу «первый в мире доступный коммерческий квантовый компьютер». Его цена составила 10 миллионов долларов, сообщает техноблог Engadget. Этот компьютер в состоянии оперировать 129 кубитами. Считается, что для решения некоторых практических задач, такого количества простых квантовых ячеек памяти, которые связаны между собой в единую систему, может оказаться вполне достаточно.

Изучение находится на раннем этапе

Серия тестов показала, что квантовый компьютер D-Wave, описанный выше, не дает никакого выигрыша в скорости по сравнению с компьютерами обычными, классическими. Попросту говоря, не только ученые, тестирующие D-Wave, пока не смогли увидеть ни одной реальной задачи, где квантовый компьютер мог бы убедительно продемонстрировать свое вычислительное превосходство, но даже сама компания-изготовитель понятия не имеет, что это может быть за задача.

Необходимость ограниченному числу пользователей

По мнению д-ра Питера Шора, несмотря на свою потенциальную мощь, квантовые компьютеры вовсе не обязательно будут выполнять все задачи быстрее классических компьютеров. В действительности, по его оценкам, работоспособный квантовый компьютер каждую из операций будет выполнять даже медленнее, чем компьютер обычный. И лишь для некоторых проблем, там, где исследователи обнаружили методы эффективного использования возможностей столь гигантских объемов хранимой информации, научившись выделять нужный ответ за сравнительно небольшое количество шагов (намного меньшее, чем в классических компьютерах) – появляется возможность существенно ускорить вычисления.

Сложность управления и обслуживания

Даже одна случайная молекула воздуха или другой малейший "шум" в системе способны выбивать кубиты из когерентной сцепленности.

Ошибки в ходе вычислений

Еще одна огромная трудность – это исправление ошибок, неизбежно возникающих в процессе вычислений. В столь тонком устройстве хранимые состояния могут непреднамеренно воздействовать друг на друга, в результате чего операции могут применяться не к тем квантовым битам.

Ограничения квантовой криптографии

• Требуется обязательное наличие выделенной линии вследствие ряда факторов:
  • Квадратичное возрастание линий с возрастанием числа пользователей.
  • Оптическая линия связи БЕЗ оптических усилителей.

Список литературы

Перейти к списку литературы по разделу "Квантовая криптография".

Андрюхин Б9-04 Покидова Б9-04

Квантовые компьютеры и связанные с ними технологии в последнее время становятся все актуальнее. Исследования в этой области не прекращаются вот уже десятилетия, и ряд революционных достижений налицо. Квантовая криптография - одно из них.
Владимир Красавин «Квантовая криптография»

Действительно в последнее время все чаще мы слышим такие понятия как «Квантовый компьютер», «Квантовые вычисления» и конечно же «Квантовая криптография».

И если с первыми двумя понятиями в принципе всё понятно, то «Квантовая криптография» - понятие, которое хоть и имеет точную формулировку, до сих пор остается для большинства людей темным и не совсем понятным этакий Ёжик в тумане.

Но прежде чем непосредственно перейти к разбору данной темы введем базовые понятия:

Криптография – наука о методах обеспечения конфиденциальности (невозможности прочтения информации посторонним), целостности данных (невозможности незаметного изменения информации), аутентификации (проверки подлинности авторства или иных свойств объекта), а также невозможности отказа от авторства.

Квантовая физика – раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения. Основные законы квантовой физики изучаются в рамках квантовой механики и квантовой теории поля и применяются в других разделах физики.

Квантовая криптография – метод защиты коммуникаций, основанный на принципах квантовой физики. В отличие от традиционной криптографии, которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, квантовая криптография сосредоточена на физике, рассматривая случаи, когда информация переносится с помощью объектов квантовой механики.

Ортогональность – понятие, являющееся обобщением перпендикулярности для линейных пространств с введённым скалярным произведением.

Quantum Bit Error Rate (QBER) – уровень квантовых ошибок.

Главной её особенностью, а заодно и особенностью любой квантовой системы является невозможность вскрытия состояние системы на протяжении времени, так при первом же измерении система меняет свое состояние на одно из возможных неортогональных значений. Помимо всего прочего существует «Теорема о запрете клонирования» сформулированная в 1982 году Вуттерсом, Зуреком и Диэксом, которая говорит о невозможности создания идеальной копии произвольного неизвестного квантового состояния, хотя и существует лазейка, а именно - создание неточной копии. Для этого нужно привести исходную систему во взаимодействие с большей вспомогательной системой и провести унитарное преобразование общей системы, в результате которого несколько компонентов большей системы станут приблизительными копиями исходной.

Основы передачи данных

В качестве носителей информации, чаще всего, используются одиночные или парные связанные фотоны. Значения 0/1 кодируются различными направлениями поляризации фотонов. При передаче используются случайно выбранный 1 из двух или трех неортогональных базисов. Соответственно правильно обработать входной сигнал возможно только если получатель смог подобрать правильный базис, в противном случае исход измерения считается неопределенным.

Если же хакер попытается получить доступ к квантовому каналу, по которому происходит передача, то он, как и получатель будет ошибаться в выборе базиса. Что приведет к искажению данных, которое будет обнаружено обменивающимися сторонами при проверке, по некому выработанному тексту, о котором они договорились заранее, например, при личной встрече или по зашифрованному, методами классической криптографии, каналу.

Ожидание и Реальность

Появляются две особенности:

• Существует возможность неправильно переданных битов, в силу того, что процесс носит вероятностный характер.
• Так как главная особенность системы – это использование импульсов с низкой энергией, это сильно снижает скорость передачи данных.

Неправильные, или точнее говоря искаженные биты могут возникать по двум основным причинам. Первая причина это я, несовершенность оборудования используемого при передаче данных, вторая причина - это вмешательство криптоаналитика или хакера.
Решение первой причины очевидно Quantum Bit Error Rate.

Quantum Bit Error Rate представляет собой уровень квантовых ошибок, который вычисляется по довольно замысловатой формуле:

QBER= «p_f+(p_d*n*q*∑(f_r* t_l) /2)*μ»

Где:

p_f: вероятность неправильного «щелчка» (1-2%)
p_d: вероятность неправильного сигнала фотона:
n: количество обнаружений
q: фаза= 1/2; поляризация = 1
Σ: detector efficiency
f_r: частота повторения
p_l: скорость передачи данных (чем больше расстояние, тем меньше)
µ: затухание для световых импульсов.

Таким образом можно сделать следующие выводы:

1. Хоть в идеале защищенный методами Квантовой криптографии канал взломать практически невозможно, по крайней мере известными на данный момент способами, на практике следуя правилу, что стойкость системы определяется стойкостью самого слабого её звена, мы убеждаемся в обратном;
2. Квантовая криптография развивается, причем довольно-таки быстро, но к сожалению практика не всегда поспевает за теорией. И как следствие вытекает третий вывод;
3. Созданные на данный момент системы использующие такие протоколы как BB84, B92 подвержены атакам, и по своей сути не обеспечивают достаточной стойкости.

Но как же так есть ведь протоколы E91 и Lo05. И он принципиально отличается от BB84, B92.
- Да, и все же есть одно, НО…

Но об этом в следующей статье.

Стивен Визнер (Stephen Wiesner), являясь студентом Колумбийского университета, в 1970 подал статью по теории кодирования в журнал IEEE Information Theory, но она не была опубликована, так как изложенные в ней предположения казались фантастическими, а не научными. Именно в была описана идея возможности использования квантовых состояний для защиты денежных банкнот. Визнер предложил в каждую банкноту вмонтировать 20 так называемых световых ловушек, и помещать в каждую из них по одному фотону, поляризованному в строго определенном состоянии. Каждая банкнота маркировалась специальным серийным номером, который заключал информацию о положении поляризационного фотонного фильтра. В результате этого при применении отличного от заданного фильтра комбинация поляризованных фотонов стиралась. Но на тот момент технологическое развитие не позволяло даже рассуждать о таких возможностях. Однако в 1983 году его работа «Сопряженное кодирование» была опубликована в SIGACT News и получила высокую оценку в научных кругах.

В последствии на основе принципов работы Визнера С. ученые Чарльз Беннет (Charles Bennett) из фирмы IBM и Жиль Брассард (Gilles Brassard) из Монреальского университета разработали способ кодирования и передачи сообщений. Ими был сделан доклад на тему «Квантовая криптография: Распределение ключа и подбрасывание монет» на конференции IEEE International Conference on Computers, Systems, and Signal Processing. Описанный в работе протокол впоследствии признан первым и базовым протоколом квантовой криптографии и был назван в честь его создателей BB84. Для кодирования информации протокол использует четыре квантовых состояния микросистемы, формируя два сопряж?нных базиса.

В это время Артур Экерт работал над протоколом квантовой криптографии, основанном на спутанных состояниях . Опубликование результатов его работ состоялось в 1991 году. В основу положены принципы парадокса Эйнштейна- Подольсого-Розенберга, в частности принцип нелокальности спутанных квантовых объектов.

На протяжении двадцати пяти лет, квантовая криптография прошла путь от теоретических исследований и доказательства основных теорий до коммерческих систем, использующих оптическое волокно для передачи на расстояние десятков километров.

В первой экспериментальной демонстрации установки квантового распределения ключей проведенной в 1989 в лабораторных условиях , передача осуществлялась через открытое пространство на расстояние тридцати сантиметров. Далее эти эксперименты были проведены с использованием оптического волокна в качестве среды распространения. После первых экспериментов Мюллера и др. в Женеве, с использованием оптоволокна длиной 1,1 км , в 1995 расстояние передачи было увеличено до 23 км через оптическое волокно, проложенное под водой . Приблизительно в то же время, Таунсендом из British Telecom была продемонстрирована передача на 30 км . Позднее он, продолжив тестирование систем с использованием различных конфигураций оптических сетей , увеличил дальность до 50 км . Эксперименты по передаче на это же расстояние были позднее повторены Хьюзом и др. в Лос-Аламосе . В 2001г., Хискетом и др. в Соединенном Королевстве была осуществлена передача на расстояние 80 км . В 2004-2005гг., две группы в Японии и одна в Соединенном Королевстве сообщили об осуществлении экспериментов по квантовому распределению ключей и интерференции одиночных фотонов на расстояние свыше 100 км . Первые эксперименты по передаче на расстояние 122 км проводились учеными из Toshiba в Кембридже с использованием детекторов на основе лавинных фотодиодов (ЛФД) . Рекорд по дальности передачи информации принадлежит объединению ученых Лос-Аламоса и Национального института стандартов и технологий, и составляет 184 км . В нем использовались однофотонные приемники охлаждаемые до температур близких к нулевым по Кельвину.

Первая презентация коммерческой системы квантовой криптографии произошла на выставке CeBIT-2002. Там, швейцарские инженеры компании GAP-Optique (www.gap-optique.unige.ch) из Женевского университета представили первую систему квантового распределения ключей (QKD - Quantum Key Distribution). Ученым удалось создать достаточно компактное и надежное устройство. Система располагалась в двух 19-дюймовых блоках и могла работать без настройки сразу после подключения к персональному компьютеру. С его помощью была установлена двухсторонняя наземная и воздушная волоконно-оптическая связь между городами Женева и Лузанна, расстояние между которыми составляет 67 км . Источником фотонов служил инфракрасный лазер с длиной волны 1550 нм. Скорость передачи данных была невысока, но для передачи ключа шифра (длина от 27,9 до 117,6 кбит) большая скорость и не требуется.

В последующие годы к проектированию и изготовлению систем квантовой криптографии подключились такие коммерческие монстры как Toshiba, NEC, IBM, Hewlett Packard, Mitsubishi, NTT. Но наряду с ними стали появляться на рынке и маленькие, но высокотехнологичные компании: MagiQ (www.magiqtech.com), Id Quantique (www.idquantique.com), Smart Quantum (www.smartquantum.com). В июле 2005 в гонке за увеличение расстояния передачи ключа вперед вышли инженеры Toshiba, представив на рынке систему, способную передать ключ на 122 км. Однако, как и у конкурентов, скорость генерации ключа в 1,9 кбит/с оставляла желать лучшего. Производители в настоящие время стремятся к разработке интегрированных систем - новинкой от Id Quantique, является система Vectis, использующая квантовое распределение ключей для создания VPN туннелей, шифрующая данные на канальном уровне с помощью шифра AES. Ключ может быть 128, 196 или 256-битной длины и меняется с частотой до 100 Гц. Максимальная дистанция для данной системы составляет 100 км. Все вышеперечисленные компании производят системы кодирующие информацию о битах ключа в фазовых состояниях фотонов. Со времен первых реализаций, схемы построения систем квантового распределения ключей значительно усложнились.

Британские физики из коммерческого подразделения QinetiQ Британской оборонной исследовательской лаборатории и немецкие физики из Мюнхенского университета Людвига-Максимиллиана впервые осуществили передачу ключа на расстояние 23,4 км непосредственно через воздушное пространство без использования оптического волокна . В эксперименте для кодирования криптографической информации использовались поляризации фотонов - одна для передачи двоичного символа «0» и противоположная для символа «1». Эксперимент проводился в горах Южной Германии. Слабый импульсный сигнал посылался ночью с одной горной вершины (2 950 м) на другую (2 244 м), где находился счетчик фотонов.

Руководитель проекта Джон Рэрити (John Rarity) из QinetiQ полагал , что уже в 2005 году будет проведен эксперимент с посылкой криптографического ключа на низкоорбитальный спутник, а к 2009 году с их помощью можно будет посылать секретные данные в любую точку планеты. Отмечалось, что для этого придется преодолеть ряд технических препятствий.

Во-первых, необходимо улучшить устойчивость системы к неизбежной потере фотонов при их посылке на расстояния в тысячикилометров.

Во-вторых, существующие спутники не оснащены соответствующим оборудованием для пересылки криптографических данных по квантовому протоколу, так что потребуется конструирование и запуск совершенно новых спутников .

Исследователи из Северо-западного университета (Эванстон, штат Иллинойс) продемонстрировали технологию, позволяющую передавать на небольшое расстояние шифрованное сообщение со скоростью 250 Мбит/с . Ученые предложили метод квантового кодирования самих данных, а не только одного ключа. В этой модели учитывается угол поляризации каждого переданного фотона, Поэтому любая попытка декодировать сообщение приводит к такой зашумленности канала, что всякая расшифровка становится невозможной. Исследователи обещают, что уже модель следующего поколения сможет работать практически на магистральной скорости Интернета порядка 2,5 Гбит/с. По словам одного из разработчиков, профессора Према Кумара (Prem Kumar), "еще никому не удавалось выполнять квантовое шифрование на таких скоростях". Ученые уже получили несколько патентов на свои разработки и сейчас работают вместе со своими промышленными партнерами Telcordia Technologies и BBN Technologies над дальнейшим усовершенствованием системы. Первоначально рассчитанный на пять лет проект был поддержан грантом DARPA (the Defense Advanced Research Projects Agency) в 4,7 миллиона долларов. Результатом данного проекта стала система квантового кодирования AlphaEta .

Группа Ричарда Хьюгса (Richard Hughes) из Лос-Аламоса занимается разработками спутниковых оптических линий связи (ОЛС). Для реализации преимуществ квантовой криптографии фотоны должны проходить через атмосферу без поглощения и изменения поляризации. Для предотвращения поглощения исследователи выбирают длину волны в 770 нм, соответствующую минимальному поглощению излучения молекулами атмосферы. Сигнал с большей длиной волны также слабо поглощается, но более подвержен турбулентности, которая вызывает изменение локального показателя преломления воздушной среды и, ввиду этого, изменение поляризации фотонов. Ученым приходится решать и побочные задачи. Спутник, наряду с фотонами, несущими сообщение, может принять и фотоны фонового излучения, исходящего как от Солнца, так и отраженного Землей или Луной. Поэтому применяются сверхузконаправленный приемник, а также фильтр для отбора фотонов определенной длины волны. Кроме того, фотоприемник чувствителен к приему фотонов в течение 5 нс периодически с интервалом в 1 мкс. Это должно быть согласовано с параметрами передатчика. Такие ухищрения вновь обуславливают влияние турбулентности. Даже при сохранении поляризации, вследствие турбулентности может измениться скорость передачи фотонов, приводя к фазовому дрожанию. С целью компенсации фазового дрожания впереди каждого фотона высылается световой импульс. Этот синхронизирующий импульс, подвергается такому же, как следующий за ним фотон, влиянию атмосферы. Поэтому независимо от момента получения импульса приемник спутника знает, что через 100 нс нужно открыться для приема информационного фотона. Изменение показателя преломления вследствие турбулентности вызывает уход луча от антенны. Поэтому для направления потока фотонов передающая система отслеживает слабое отражение от синхроимпульсов. Группой Хьюгса осуществлена передача сообщения по квантовому криптографическому каналу через воздушную среду на расстояние в 500 м на телескоп диаметром 3.5 дюйма . Принимаемый фотон попадал на распределитель, который направлял его на тот или иной фильтр. После этого ключ контролировался на наличие ошибок. Реально, даже при отсутствии перехвата, уровень ошибок достигал 1,6% из-за наличия шума, фоновых фотонов и рассогласования. Это несущественно, поскольку при перехвате уровень ошибок обычно более 25%.

Позднее группой Хьюгса было передано сообщения по квантовому каналу через воздушную среду на расстояние 2 км . При испытаниях сигналы передавались горизонтально, вблизи поверхности Земли, где плотность воздуха и флуктуации интенсивности максимальны. Поэтому расстояние в 2 км вблизи поверхности Земли эквивалентны 300 км, отделяющим низкоорбитальный искусственный спутник от Земли.

Таким образом, менее чем за 50 лет квантовая криптография прошла путь от идеи до воплощения в коммерческую систему квантового распределения ключей. Действующая аппаратура позволяет распределять ключи через квантовый канал на расстояние превышающие 100 км (рекорд 184 км), со скоростями достаточными для передачи ключей шифрования, но не достаточными для поточного шифрования магистральных каналов с помощью шифра Вернама. Основными потребителями систем квантовой криптографии в первую очередь выступают министерства обороны, министерства иностранных дел и крупные коммерческие объединения. На настоящий момент высокая стоимость квантовых систем распределения ключей ограничивает их массовое применение для организации конфиденциальной связи между небольшими и средними фирмами и частными лицами.