Квантовая криптография представляет собой направление науки, основанное на использовании принципов квантовой механики для обеспечения защищённой передачи информации. В отличие от классических методов шифрования, её безопасность не зависит от вычислительной мощности злоумышленника, а гарантируется фундаментальными законами природы.
Ключевым элементом квантовой криптографии является принцип неопределённости Гейзенберга, который утверждает невозможность одновременно точно измерить определённые пары величин, например координату и импульс частицы. В криптографии это проявляется следующим образом: любое наблюдение за квантовой системой неизбежно изменяет её состояние. Это свойство используется для обнаружения попыток перехвата информации.
В квантовой криптографии информационные единицы представлены кубитами, которые могут находиться в суперпозиции состояний |0⟩ и |1⟩:
|ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩, |α|2+|β|2 = 1
Ключевой особенностью является то, что измерение кубита приводит к коллапсу его состояния в одно из базисных значений, что делает невозможным копирование или скрытое перехватывание информации.
Первый практический протокол квантовой криптографии, BB84, предложен Чарльзом Беннеттом и Жилем Брассаром в 1984 году. Его работа строится на использовании двух взаимно-независимых базисов поляризации фотонов:
Отправитель (Алиса) случайным образом выбирает базис для каждого бита ключа и передаёт фотон получателю (Бобу), который также случайно выбирает базис для измерения. После передачи они сравнивают использованные базисы по открытой, но аутентифицированной, классической линии связи. Биты, измеренные в совпадающих базисах, формируют секретный ключ.
Любая попытка злоумышленника (Ева) измерить кубиты неизбежно изменяет их состояние, что проявляется как ошибки в ключе, обнаруживаемые Алиса и Бобом. Достаточно вычислить квантовую битовую ошибку (QBER):
$$ \text{QBER} = \frac{N_{\text{ошибок}}}{N_{\text{общих битов}}} $$
Если QBER превышает допустимый порог (обычно 11%), передача ключа считается небезопасной, и процесс повторяется.
Другой подход использует квантовую запутанность, при которой два фотона находятся в едином квантовом состоянии, даже будучи разделёнными на большие расстояния. Например, в протоколе E91, предложенном Артуром Эккерсом в 1991 году, ключ формируется на основе коррелированных измерений запутанных фотонов. Любое вмешательство нарушает корреляцию, что позволяет обнаружить попытку перехвата.
Несмотря на фундаментальную безопасность, квантовая криптография сталкивается с рядом технических проблем:
Для преодоления этих ограничений применяются методы квантового повторения (quantum repeaters), коррекции ошибок и новые материалы для детекторов, работающих при криогенных температурах, что делает их пригодными для сверхчувствительных измерений.
Квантовое распределение ключей (QKD, Quantum Key Distribution) сегодня рассматривается как основной практический метод внедрения квантовой криптографии в телекоммуникационные сети. Секретный ключ, полученный с помощью QKD, может использоваться в симметричных алгоритмах шифрования, таких как AES, для безопасной передачи данных по классическим каналам.
Особое внимание уделяется гибридным системам, где квантовая криптография защищает ключи, а классическая инфраструктура обеспечивает высокую скорость передачи данных.
Будущие направления включают:
Квантовая криптография сочетает фундаментальную физику с практическими приложениями, создавая новые стандарты безопасности в информационных технологиях.