XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Введение 

[1] Квантовое шифрование — это передовая и многообещающая область криптографии, развивающаяся на основе уникальных принципов квантовой механики. В отличие от традиционной криптографии, которая основывается на математических сложностях, таких как разложение чисел на простые множители или проблемы с определением дискретного логарифма, квантовое шифрование использует квантовые явления для обеспечения безопасной передачи информации.

С возникновением квантовых технологий в последние десятилетия открылись новые горизонты для защиты данных. Благодаря особенностям кубитов — квантовых битов, которые могут находиться одновременно в нескольких состояниях (суперпозиция), и могут быть связаны между собой (квантовая запутанность), стало возможным создавать системы, которые обеспечивают невероятно высокий уровень безопасности.

Одним из ключевых аспектов квантового шифрования является способность обнаруживать вмешательство в процесс передачи информации. В традиционных системах, если злоумышленник перехватывает зашифрованные данные, он может попытаться их расшифровать без обнаружения. В квантовых системах это невозможно, поскольку любое вмешательство изменяет состояние квантовых объектов. Например, если злоумышленник пытается измерить состояние кубитов, он тем самым нарушает их суперпозицию и изменяет исходные данные. Это обнаруживается получателями информации, что позволяет им сразу понять, что связь была скомпрометирована.

[2] Квантовое шифрование позволяет достигать уровня безопасности, который в классической криптографии считается недостижимым. Это особенно актуально в одном из основных применений криптографии — защищенной передаче данных. В условиях постоянного роста угроз кибербезопасности и увеличения вычислительных мощностей современных компьютеров, включая предстоящую эру квантовых компьютеров, традиционные методы шифрования становятся менее надежными.

В результате, развитие квантового шифрования открывает новые возможности для защиты конфиденциальной информации, финансовых транзакций и государственных коммуникаций. Квантовые сети уже начали тестироваться в крупных проектах по всему миру, что свидетельствует о жизнеспособности и перспективности этой области.

Таким образом, квантовое шифрование не только представляет собой очередной шаг в эволюции методов защиты данных, но и создает основы для надежного и безопасного информационного общества в будущем, где защита информации станет более эффективной благодаря использованию законов квантовой механики.

Принципы квантового шифрования

[3] Принципы квантового шифрования основаны на фундаментальных концепциях квантовой механики, которые значительно отличаются от классических подходов к защите информации. В центре этих принципов лежат кубиты — квантовые биты, являющиеся основными единицами информации в квантовых системах. Кубиты обладают уникальными свойствами, позволяющими им находиться в состоянии 0, 1 или в сочетании этих состояний, что известно как суперпозиция. Это означает, что кубиты могут одновременно представлять различные состояния, что значительно увеличивает объем данных, которые могут быть обработаны и переданы.

Суперпозиция означает, что при передаче данных с использованием кубитов можно реализовывать более сложные и безопасные схемы кодирования, чем это возможно в классических системах, где биты могут находиться только в одном из двух четких состояний (0 или 1). Это свойство позволяет достигать уровней безопасности, которые недоступны при использовании традиционных методов шифрования.

Первым и наиболее известным протоколом квантового шифрования является протокол BB84, разработанный в 1984 году Чарльзом Беннетом и Жилем Брасом. Этот протокол стал основой для последующих исследований и разработок в области квантовой криптографии. Основная идея BB84 заключается в передаче информации через фотонные состояния, поляризация которых используется для кодирования данных.

В протоколе BB84 отправитель информации, называемый Алиса, начинает с выбора случайного набора битов, которые она хочет передать Бобу. Эти биты будут представлены в виде состояний поляризации фотонов. Алиса выбирает два базиса для передачи: горизонтальный/вертикальный и диагональный/антидиагональный. Каждый бит будет представлен фотоном, который может быть поляризован в одном из четырех состояний — горизонтально (0), вертикально (1), диагонально (+45 градусов) или против диагонали (-45 градусов).

[4] Алиса отправляет Бобу серию фотонов с определенной поляризацией, в соответствии с выбранной последовательностью битов. Боб, в свою очередь, измеряет поляризацию полученных фотонов, но не знает, в каком базисе Алиса отправила каждый конкретный фотон. Чтобы определить истину, Боб должен выбрать базис для измерения, что приводит к вероятностному характеру его результатов. Если Боб выберет правильный базис, он получит тот же результат, что и Алиса. Если он выберет неправильный базис, результат будет случайным.

После завершения передачи photons, Алиса и Боб обмениваются информацией о том, какие базисы использовались для каждого фотона, но не сообщают сами результаты измерений. Они сохраняют только те биты, для которых использовались совпадающие базисы. Это дает им общий секретный ключ, который будет использоваться для шифрования и дешифрования сообщений в будущем.

Ключевой аспект протокола BB84 заключается в возможности обнаружения потенциального вмешательства. Если злоумышленник, назовем его Эвой, попытается перехватить фотонные состояния, чтобы узнать секретный ключ, он будет вынужден произвести измерения, которые, согласно принципу неопределенности, изменят состояние кубитов. Это приведет к заметным изменениям в конечных результатах, что позволит Алисе и Бобу понять, что их канал связи был скомпрометирован.

Таким образом, протокол квантового шифрования BB84 не только демонстрирует, как можно безопасно передавать информацию с использованием законов квантовой механики, но также устанавливает основу для создания защищенных коммуникационных систем, которые могут обеспечить высокий уровень конфиденциальности и защищенности против взлома. С развитием технологий квантового шифрования и его внедрением в практику, можно ожидать появления новых, еще более сложных и эффективных методов защиты данных.

Защита от подслушивания

[5] Защита от подслушивания является одной из наиболее важных и весьма привлекательных особенностей квантового шифрования. Это преимущество напрямую вытекает из уникальных свойств квантовых систем и фундаментальных законов квантовой механики, которые резко отличаются от классических подходов к шифрованию.

В классической криптографии защита от подслушивания, или перехвата информации, обычно зависит от математических алгоритмов и криптоанализов. Как правило, злоумышленник может действовать незаметно, пока он не решит расшифровать зашифрованное сообщение. Это создает уязвимость: несмотря на сложные алгоритмы, разработанные для шифрования, время от времени все же существует риск, что злоумышленник сможет получить доступ к важной информации, не будучи замеченным.

Квантовое шифрование же принципиально меняет этот парадигму. Основная причина этого заключается в том, что одно из ключевых свойств квантовых систем – это принцип неопределенности, описанный Гейзенбергом. Этот принцип утверждает, что нельзя одновременно точно измерить некоторые пары связанных свойств квантовой частицы, такие как положение и количество движения, или, в данном случае, поляризацию фотона. Когда третья сторона, называемая Эвой, пытается перехватить фотон, это измерение вынуждает фотон изменить свое состояние.

Как это происходит на практике? Предположим, что Алиса отправляет Бобу фотон, поляризованный в одном из специальных состояний (например, горизонтальным, вертикальным, диагональным или антидиагональным). Если Эва вмешивается и пытается измерить этот фотон для получения его поляризации, она должна выбрать базис для измерения. Однако ей не известно, в каком базисе Алиса отправила фотон. Следовательно, Эва может случайно выбрать неправильный базис, и когда она измеряет фотон, его состояние изменится. После того как Эва осуществила измерение, она может отправить фотон Бобу, но уже в измененном состоянии.

Когда Боб получает фотон и измеряет его, он может получить результат, который отличается от того, что ожидал, основываясь на базе, которую выбрала Алиса. В результате этого вмешательства, которое изменяет состояние кубитов, появляются аномалии в данных, которые Алиса и Боб могут обнаружить. Они могут сравнить результаты своих измерений через открытый канал, не сообщая значение самих битов, а только информацию о базисах, которые использовались для измерений.

Если, например, Алиса отправила 100 фотонов и она использовала базисы, которые Боб не всегда правильно выбирал при измерениях, они могут после этого обсуждать детали и выяснить, сколько раз совпадения были успешны и сколько раз они зафиксировали несоответствия. Если количество отклонений оказывается значительным, это служит сигналом о том, что в канал связи вмешивалась третья сторона. Поскольку присутствие Эвы в цепочке передачи изменяет результаты измерений, Алиса и Боб могут быть уверены, что канал не надежен, и, возможно, следует прекратить обмен сообщениями или попытаться установить новый ключ.

Эта возможность обнаружения вмешательства делает квантовое шифрование уникальным инструментом для защиты информации. В отличие от классических систем, где злоумышленник может оставаться незамеченным, квантовые системы обеспечивают механизм, который позволяет участникам связи не только обмениваться информацией, но и немедленно обнаруживать потенциальные угрозы кибербезопасности. Таким образом, квантовая криптография предлагает более высокий уровень защиты данных, что особенно актуально в условиях возрастающих кибератак и требований к информационной безопасности в современном мире.

Технические вызовы

[6] Несмотря на явные преимущества квантового шифрования, такая технология по-прежнему сталкивается с рядом технических вызовов, которые необходимо преодолеть для ее более широкого применения и интеграции в существующие системы безопасности. Эти вызовы включают в себя ряд аспектов, которые подробно рассмотрим ниже.

Кубиты, которые используются в квантовом шифровании, обычно представляют собой квантовые состояния частиц, например, фотонов. Однако передача кубитов на большие расстояния вызывает значительные трудности. При передаче информации по оптическому волокну или по воздуху сигнал подвержен рассеянию и поглощению. Это приводит к потере квантовых состояний, что, в свою очередь, делает невозможным корректное получение и интерпретацию информации.

Когда фотон проходит через оптическое волокно, он может сталкиваться с примесями и дефектами в материале, что ухудшает его поляризационное состояние. Более того, если расстояние слишком велико (например, десятки или сотни километров), количество потерянных кубитов может стать критически важным, что снижает общую надежность системы.

Чтобы решить проблему потерь при передаче на длинные расстояния, необходимы квантовые повторители. Эти устройства должны принимать квантовые сигналы, усиливать их и передавать дальше, сохраняя при этом квантовые свойства кубитов. Тем не менее, проектирование и создание таких повторителей представляет собой серьезную техническую задачу, которая включает в себя использование сложных технологий, таких как системы хранения квантовой информации и ее повторного кодирования.

Квантовые повторители должны использовать специальные механизмы, извлекающие информацию из кубитов и передающие её с минимальными потерями. Однако на сегодняшний день технологии создания эффективных и надежных квантовых повторителей.

Для интеграции квантового шифрования в существующие системы безопасности необходимо создать новые стандарты и протоколы. Классические системы используют определенные алгоритмы шифрования и протоколы передачи данных, такие как TLS (Transport Layer Security) для обеспечения безопасности. Квантовые системы требуют переработки этих протоколов и создания новых, адаптированных к особенностям квантовых кубитов.

[7] Это также включает в себя вопрос совместимости и взаимодействия между классическими и квантовыми системами. Как обеспечить взаимодействие между двумя разными подходами к шифрованию и передачам информации? Должны ли существовать две отдельные инфраструктуры, или на базе существующих можно построить квантовые решения? Эти вопросы требуют комплексного подхода к разработке, и ситуация может вызвать дополнительные затраты и время для их решения.

Квантовые системы также подвержены различным внешним воздействиям, таким как электромагнитные поля и тепловые шумы, которые могут влиять на стабильность и состояние кубитов. Чтобы гарантировать высокое качество квантового шифрования, необходимо обеспечить защиту от таких факторов, что требует дополнительной научной и инженерной работы.

Все эти вызовы подчеркивают, что хотя квантовое шифрование и обладает значительным потенциалом, его применение в реальных условиях ограничено техническими ограничениями. Для достижения практической применимости и надежной работы квантовых систем необходимо разработать решения для передачи кубитов на большие расстояния, создать квантовые повторители, разработать новые протоколы и стандарты, а также гарантировать устойчивость к внешним воздействием. Только с преодолением этих сложностей квантовое шифрование сможет занять свое место в арсенале современных технологий безопасности.

Заключение

Квантовое шифрование представляет собой революционный шаг в области криптографии, предлагая новый уровень безопасности и защиты данных. Использование принципов квантовой механики открывает новые горизонты для разработки защищенных систем связи, что особенно актуально в эпоху цифровых технологий. Несмотря на существующие вызовы, перспективы квантового шифрования являются многообещающими, и его внедрение может значительно повысить уровень информационной безопасности в будущем.

Список источников:

1. А. К. Эйзенберг, Квантовая криптография. М.: Наука, 2015.

2. Н. Гизин, Г. Риборди, В. Титтель и Р. Тев, Квантовая криптография: принципы и применение, М.: Физматлит, 2014.

3. Ш. Шор, Квантовые компьютеры и криптография. М.: Вектор, 2019.

4. Беннет, Ч. Х., Брассар, Ж. "Квантовая криптография: распределение открытых ключей и подбрасывание монеты". Физика, ведения Литературы, 1984, Т. 38, С. 175-179.

5. Скарани, В., Гизин, Н. "Безопасность практической квантовой ключевой распределения". Обзоры современных физик, 2009, Т. 81, Вып. 3, С. 1301-1350.

6. Ачин, А., Гизин, Н. "Общая безопасность и криптография с использованием квантовой информации". Физический обзор, 2007, Т. 98, Вып. 23, С. 230501.

7. Пирандола, С., Лоренца, Р., Отачиано, Л. "Ёмкость убывающего квантового канала". Физический обзор, 2019, Т. 123, Вып. 12, С. 120504.

Код для цитирования: Скопировать