Принципы квантовой криптографии
Квантовые принципы как основа безопасности
Квантовая криптография опирается на фундаментальные принципы квантовой механики, главным образом — на принцип неопределённости Гейзенберга и принцип суперпозиции состояний. Эти законы накладывают жёсткие ограничения на возможные действия потенциального перехватчика, делая квантовую криптографию принципиально более защищённой по сравнению с классическими методами.
Суть в том, что любое измерение квантового состояния нарушает его, и это необратимо. Следовательно, если злоумышленник попытается перехватить квантовый канал, его вмешательство будет обязательно зафиксировано, поскольку изменятся статистические свойства переданных квантовых битов (кубитов).
Протокол BB84: квантовый обмен ключами
Первый и наиболее известный протокол квантовой криптографии — протокол BB84, предложенный Чарльзом Беннеттом и Жилем Брассаром в 1984 году. Он основан на передаче кубитов, представленных фотонами с определённой поляризацией.
В BB84 используются две взаимно некоррелированные базы поляризации:
Передающий (Алиса) случайным образом выбирает базу и значение бита (0 или 1), кодирует его в поляризацию фотона и отправляет получателю (Бобу). Боб также случайным образом выбирает базу измерения. Только те биты, где базы Алисы и Боба совпали, используются для формирования ключа.
После передачи стороны обмениваются открытой информацией о выбранных базах (не раскрывая значений битов). Неправильные измерения отбрасываются, а оставшиеся формируют сырую версию ключа. При наличии перехвата квантовой линии, статистика ошибок возрастает, и стороны могут распознать вмешательство.
Детектирование прослушивания
Одной из критических особенностей квантовой криптографии является возможность выявления факта перехвата. В отличие от классических протоколов, где копирование передаваемой информации может происходить незаметно, в квантовых системах принцип невозможности клонирования (no-cloning theorem) запрещает точное копирование произвольного квантового состояния. Любая попытка клонирования или измерения в неправильной базе искажает состояние и приводит к статистическим ошибкам.
При установлении квантового канала стороны рассчитывают уровень ошибок (QBER, Quantum Bit Error Rate). Если он превышает порог (обычно порядка 11% для BB84), предполагается наличие прослушивания, и ключ отбрасывается.
Расширенные протоколы и устойчивость к атакам
Развитие квантовой криптографии привело к появлению других протоколов, таких как:
Также разрабатываются протоколы с произвольной базой, протоколы на основе временной задержки фотонов, одноразовые протоколы и детекторно-независимая криптография (DI-QKD), где доверие к оборудованию минимизировано.
Физическая реализация квантового канала
Передача квантовых битов обычно осуществляется через:
Типичная реализация основана на использовании одиночных фотонов, испускаемых лазером с пониженной интенсивностью, либо на спонтанном параметрическом расщеплении второго порядка (SPDC), при котором формируются запутанные пары фотонов.
Ключевые технические элементы системы:
Постобработка: выработка окончательного ключа
После установления “сырого ключа” из совпадающих баз стороны проводят постобработку:
Квантовые атаки и уязвимости
Несмотря на теоретическую неуязвимость, практические реализации подвержены различным видам атак:
Для защиты применяются:
Сетевые архитектуры квантовой криптографии
Реализация квантовой криптографии в масштабах сети возможна в трёх форматах:
Спутниковая квантовая криптография
Наиболее перспективным направлением является реализация глобальных квантовых сетей с использованием спутников. В 2017 году китайский спутник Micius впервые продемонстрировал межконтинентальный обмен квантовыми ключами. Передача фотонов на большие расстояния через свободное пространство, особенно в условиях отсутствия атмосферы, позволяет достичь высоких скоростей и низких потерь.
Спутниковая криптография сталкивается с вызовами, связанными с:
Квантовая криптография и классическая безопасность
Квантовая криптография решает проблему обмена ключами, а не шифрования данных как такового. Поэтому в практике чаще всего применяется гибридная архитектура, где квантовый канал используется для генерации одноразовых ключей (например, для алгоритма Vernam), а сами данные шифруются классическими методами.
В условиях появления квантовых компьютеров, способных нарушать устойчивость RSA, ECC и других алгоритмов, квантовая криптография становится единственным принципиально защищённым методом коммуникации, основанным на физике, а не на математических предположениях.
Текущий уровень развития и перспективы
Современные квантовые криптосистемы уже доступны на коммерческом рынке, но они пока ограничены:
Однако интенсивные исследования в области интегральной оптики, фотонных микросхем, одиночных фотонных источников, оптических квантовых повторителей и гибридных квантовых сетей позволяют ожидать появление защищённых квантовых коммуникаций на уровне городов, государств и планеты уже в ближайшие десятилетия.