квантовое распределение ключей

# тег · @ автор · ! учёный

Квантовое распределение ключей (QKD) — метод выработки общего секретного ключа, чья стойкость основана на законах квантовой механики, а не на вычислительной сложности. Протокол BB84 использует четыре состояния фотона, сгруппированные в два неортогональных базиса (прямолинейный и диагональный). Неортогональные состояния невозможно достоверно различить, поэтому перехват вносит ошибки. После передачи стороны выполняют согласование битов и усиление секретности, чтобы устранить утечку информации. Сегодня системы работают по оптоволокну на расстояниях до сотен километров, а спутниковая связь расширяет радиус действия до тысяч.

История

В 1970-х годах Стивен Визнер предложил идею квантовых денег, которые невозможно подделать. Широкую известность квантовая криптография получила в 1984 году после публикации протокола BB84 Чарльзом Беннеттом и Жилем Брассаром.

Как работает

Аналогия с двумя азбуками: одна использует точки и тире (вертикальная/горизонтальная поляризация), другая — зигзаги (диагональные направления). Алиса записывает бит случайной азбукой, а Боб считывает его, тоже случайно выбирая азбуку. Если азбуки совпадают, результат верен; если нет — получается случайное значение. Затем они обмениваются информацией о выбранных азбуках для каждого отправленного символа, оставляя биты только для случаев совпадения. Ева, не зная азбуки, нарушает передаваемые состояния, и её вмешательство проявляется в виде дополнительных ошибок при проверке.

💡 Первый банковский перевод, защищённый квантовым ключом, прошёл в 2004 году в Вене; сейчас квантовые сети соединяют целые города.

Алиса и Боб хотят создать общий секретный ключ по открытому каналу связи, который прослушивает Ева. Алиса кодирует биты в поляризацию одиночных фотонов (направление колебаний волны) и отправляет Бобу. Боб для каждого фотона случайно выбирает один из двух измерительных базисов (условно «вопросов»). После обмена они по открытому каналу сообщают, какие базисы использовали, не раскрывая самих результатов. Там, где базисы совпали, результаты становятся частью ключа. При попытке Евы измерить фотоны она вносит ошибки, заметные при сравнении контрольной порции битов.

История

Как работает

💡 Спутник «Мо-Цзы» (Micius), запущенный в 2016 году, впервые обеспечил межконтинентальное QKD между Китаем и Европой с помощью запутанных фотонов с орбиты.

Квантовое распределение ключей — криптографический примитив, генерирующий ключ посредством обмена квантовыми состояниями и гарантирующий безусловную безопасность (unconditional security). Секретность опирается на принцип неопределённости: перехватчик не может достоверно различить неортогональные состояния, например, фотон с поляризацией 0° и 45°, не внося ошибок при несовпадении базиса. В протоколе BB84 Алиса случайно выбирает бит и базис, отправляя одно из четырёх состояний; Боб измеряет в случайном базисе. После стадии отбора (sifting) биты с совпавшими базисами образуют сырой ключ. Оценка квантового уровня ошибок (QBER) через жертву части битов даёт верхнюю границу информации у Евы; при QBER ниже порога выполняются коррекция ошибок и усиление секретности (privacy amplification) для получения финального ключа. Протоколы с запутанными парами (E91) проверяют нарушение неравенства Белла. Метод приманных состояний (decoy states) защищает от атак на ослабленные лазерные импульсы.

История

Квантовая криптография ведёт начало от предложенной Стивеном Визнером в 1970 году концепции квантовых денег (опубликована в 1983). В 1984 году Чарльз Беннетт и Жиль Брассар представили протокол BB84, ставший поворотным моментом. В 1991 году Артур Экерт предложил протокол E91 на запутанных частицах, что открыло перспективы спутниковой связи. Сегодня QKD — коммерческая технология с развёрнутыми сетями.

Как работает

Безопасность QKD обусловлена возмущением квантовых состояний при измерении (коллапс волновой функции). Если Ева угадывает базис, она не вносит ошибки, но не может угадывать всегда. Для BB84 безопасное извлечение ключа возможно при квантовой доле ошибок e < 11%. Математически, после коррекции ошибок и усиления секретности длина финального ключа L = n·r, где n — размер сырого ключа, r = 1 − h(e_x) − h(e_z) (асимптотический предел), h — двоичная энтропия, e_x, e_z — ошибки в базисах. Практические ограничения вносят потери и шум детекторов.

r = 1 - h(e_x) - h(e_z)

r — доля битов, превращающихся в секретный ключ (безразмерная, от 0 до 1); h(p) = -p \log_2 p - (1-p) \log_2 (1-p) — двоичная энтропия; e_x, e_z — вероятности ошибок в X- и Z-базисах соответственно (безразмерные, от 0 до 0.5)

Открытые проблемы и интересные факты

Дальность без квантовых повторителей ограничена затуханием в оптоволокне (≈100–200 км); Уязвимости реальных детекторов (атаки на побочные каналы, ослепление); Низкая скорость генерации ключей по сравнению с классическими методами; Интеграция в существующие сетевые инфраструктуры и высокая стоимость

Пока нет статей

квантовое распределение ключей

История

Как работает

История

Как работает

История

Как работает

Открытые проблемы и интересные факты

Статьи по теме