EITC/IS/QCF Quantum Cryptography Fundamentals нь квант криптографийн онолын болон практик талуудын тухай Европын мэдээллийн технологийн гэрчилгээжүүлэх хөтөлбөр бөгөөд юуны түрүүнд нэг удаагийн дэвсгэрттэй хамтран Квантын түлхүүрийн хуваарилалт (QKD) дээр төвлөрдөг. түүхийн үнэмлэхүй (мэдээлэл-онолын) харилцааны аюулгүй байдал.
EITC/IS/QCF Квантын криптографийн үндсүүдийн сургалтын хөтөлбөрт Квантын түлхүүрийн тархалт, квант холбооны сувгийн мэдээлэл зөөгч, нийлмэл квант систем, харилцааны онолын мэдээллийн хэмжүүр болох сонгодог болон квант энтропи, QKD бэлтгэх, хэмжих протокол, орооцолдолд суурилсан QKD, QKD сонгодог дараах боловсруулалт (алдаа засах, нууцлалыг нэмэгдүүлэх зэрэг), Квантын Түлхүүр Түгээлтийн аюулгүй байдал (тодорхойлолт, чагнасан стратеги, BB84 протоколын аюулгүй байдал, аюулгүй байдлын cia энтропик тодорхойгүй байдлын хамаарал), практик QKD (туршилт ба онол), туршилтын квантын танилцуулга криптограф, түүнчлэн квант хакердах зэрэг нь дараах бүтцийн хүрээнд иж бүрэн видео дидактик контентыг энэхүү EITC гэрчилгээний лавлагаа болгон багтаасан болно.
Квантын криптограф нь сонгодог физикийн хуулиудаас илүү квант физикийн хуулиудад суурилсан криптографийн системийг боловсруулж, хэрэгжүүлэхтэй холбоотой юм. Квантын түлхүүрийн хуваарилалт нь квант криптографийн хамгийн алдартай хэрэглээ бөгөөд энэ нь түлхүүр солилцох асуудлыг мэдээллийн онолын хувьд аюулгүй шийдлээр хангадаг. Квантын криптограф нь зөвхөн сонгодог (квант бус) харилцаа холбоог ашиглан нотлогдсон эсвэл боломжгүй гэж таамагласан олон төрлийн криптографийн ажлыг гүйцэтгэх боломжийг олгодог давуу талтай. Жишээлбэл, квант төлөвт кодлогдсон өгөгдлийг хуулбарлах нь боломжгүй юм. Хэрэв кодлогдсон өгөгдлийг уншихыг оролдвол долгионы функцийн уналтын улмаас квант төлөв өөрчлөгдөнө (клончлолгүй теорем). Квантын түлхүүрийн хуваарилалтад үүнийг чагнасан (QKD) илрүүлэхэд ашиглаж болно.
Стивен Виснер, Жиллес Брассард нарын ажил нь квант криптографийг бий болгосон гэж тооцогддог. 1970-аад оны эхээр Нью-Йорк дахь Колумбын их сургуульд сурч байсан Виснер квант коньюгат кодчилолын тухай ойлголтыг зохион бүтээжээ. IEEE Мэдээллийн Онолын Нийгэмлэг нь түүний "Conjugate Coding" хэмээх чухал судалгааг няцаасан боловч эцэст нь 1983 онд SIGACT News сэтгүүлд нийтлэгдсэн. Тэрээр энэхүү судалгаагаар шугаман болон дугуй фотоны туйлшрал гэх мэт хоёр "коньюгат ажиглагч"-д хоёр мессежийг хэрхэн кодлохыг харуулсан. , ингэснээр хоёуланг нь биш харин аль нэгийг нь хүлээн авч, тайлж болно. 20 онд Пуэрто Рикод зохиогдсон IEEE-ийн Компьютерийн шинжлэх ухааны үндэслэлийн 1979 дахь симпозиумаас хойш л IBM-ийн Томас Ж.Уотсоны судалгааны төвийн ажилтан Чарльз Х.Беннет, Гиллес Брассард нар Виснерийн үр дүнг хэрхэн нэгтгэх талаар олж мэдсэн юм. "Фотонууд хэзээ ч мэдээлэл хадгалах зорилготой биш, харин түүнийг дамжуулах зорилготой гэдгийг бид ойлгосон" Беннетт, Брассард нар өмнөх ажилдаа үндэслэн 84 онд BB1984 нэртэй аюулгүй холбооны системийг нэвтрүүлсэн. Дэвид Дойчийн аюулгүй түлхүүрийн хуваарилалтыг хийхийн тулд квантын орон нутгийн бус байдал ба Беллийн тэгш бус байдлыг ашиглах санааг дагаж Артур Экерт 1991 онд хийсэн судалгаагаар орооцолдолд суурилсан квант түлхүүрийн тархалтыг илүү гүнзгий судалжээ.
Какийн гурван үе шаттай техник нь хоёр талын туйлшралыг санамсаргүй байдлаар эргүүлэхийг санал болгодог. Хэрэв дан фотоныг ашиглавал энэ технологийг онолын хувьд тасралтгүй, хугарашгүй өгөгдлийг шифрлэхэд ашиглаж болно. Энэ нь туйлшралын эргэлтийн үндсэн механизмыг хэрэгжүүлсэн. Энэ нь сонгодог шифрлэлтийг ашигладаг квант түлхүүрийн хуваарилалтаас ялгаатай нь зөвхөн квантад суурилсан криптографийн арга юм.
Квантын түлхүүр түгээлтийн аргууд нь BB84 арга дээр суурилдаг. MagiQ Technologies, Inc. (Бостон, Массачусетс, АНУ), ID Quantique (Женев, Швейцарь), QuintessenceLabs (Канберра, Австрали), Toshiba (Токио, Япон), QNu Labs, SeQureNet зэрэг нь квант криптографийн систем (Парис) үйлдвэрлэдэг. , Франц).
Давуу тал
Криптограф бол мэдээллийн аюулгүй байдлын гинжин хэлхээний хамгийн найдвартай холбоос юм. Нөгөө талаас сонирхогч талууд криптографийн түлхүүрүүд найдвартай хэвээр үлдэнэ гэж найдаж болохгүй. Квантын криптограф нь уламжлалт криптографаас илүү урт хугацаанд өгөгдлийг шифрлэх чадвартай. Эрдэмтэд уламжлалт криптографийн тусламжтайгаар шифрлэлтийг 30-аас дээш жил баталгаажуулж чадахгүй ч зарим оролцогч талууд илүү урт хамгаалалтын хугацаа шаардаж магадгүй юм. Жишээлбэл, эрүүл мэндийн салбарыг авч үзье. 85.9 оны байдлаар албан тасалгааны эмч нарын 2017% нь өвчтөний мэдээллийг хадгалах, дамжуулахад эмнэлгийн бүртгэлийн цахим системийг ашигладаг. Эрүүл мэндийн даатгалын тухай хуулийн дагуу эмнэлгийн бүртгэлийг нууцлах ёстой. Эмнэлгийн цаасан бүртгэлийг ихэвчлэн тодорхой хугацаа өнгөрсний дараа шатаадаг бол компьютержсэн бүртгэл нь дижитал ул мөр үлдээдэг. Цахим бүртгэлийг квант түлхүүрийн хуваарилалтыг ашиглан 100 жил хүртэл хамгаалах боломжтой. Засгийн газар бараг 60 жилийн турш цэргийн материалыг нууцалж ирсэн тул квант криптограф нь засгийн газар болон армид зориулагдсан програмуудтай. Түүнчлэн дуу чимээ ихтэй сувгаар хол зайд дамжих үед ч квант түлхүүрийн тархалт найдвартай байж болохыг харуулсан. Үүнийг чимээ шуугиантай квант схемээс сонгодог чимээгүй схем болгон хувиргаж болно. Сонгодог магадлалын онолыг энэ асуудлыг шийдвэрлэхэд ашиглаж болно. Квантын давталт нь чимээ шуугиантай сувгаас байнгын хамгаалалттай байх үйл явцад тусалж чадна. Квантын давталт нь квант холбооны алдааг үр дүнтэй шийдвэрлэх чадвартай. Харилцаа холбооны аюулгүй байдлыг хангахын тулд квант компьютер болох квант давталтуудыг шуугиантай суваг дээр сегмент болгон байрлуулж болно. Квант давталт нь сувгийн сегментүүдийг хооронд нь холбохоос өмнө тэдгээрийг цэвэршүүлж, аюулгүй холбооны шугам үүсгэх замаар үүнийг гүйцэтгэдэг. Холын зайд доод түвшний квант давталт нь чимээ шуугиантай сувгаар үр дүнтэй хамгаалалтын түвшинг өгч чадна.
Програм
Квантын криптограф гэдэг нь криптографийн олон төрлийн арга техник, протоколуудыг хэлдэг өргөн нэр томъёо юм. Дараах хэсгүүдэд хамгийн алдартай програмууд болон протоколуудыг авч үзэх болно.
Квантын түлхүүрүүдийн тархалт
Ева Алис, Боб хоёрын хоорондох бүх харилцааг чагнаж чаддаг байсан ч гуравдагч этгээд (Ева) энэ түлхүүрийн талаар юу ч сурахгүйгээр хоёр тал (жишээлбэл, Алис, Боб) хооронд хуваалцсан түлхүүрийг бий болгохын тулд квант харилцаа холбоог ашиглах техникийг мэддэг. QKD гэж. Хэрэв Ева тогтоож буй түлхүүрийн талаар мэдлэг цуглуулах гэж оролдвол Алис, Боб хоёрын анхаарлыг татах юм бол зөрүү үүсэх болно. Түлхүүрийг тогтоосны дараа үүнийг уламжлалт аргаар харилцаа холбоог шифрлэхэд ашигладаг. Жишээлбэл, сольсон түлхүүрийг тэгш хэмт криптографид ашиглаж болно (жишээлбэл, нэг удаагийн дэвсгэр).
Квантын түлхүүрийн түгээлтийн аюулгүй байдлыг чагнагчийн ур чадварт ямар нэгэн хязгаарлалт тавихгүйгээр онолын хувьд тогтоож болох бөгөөд энэ нь сонгодог түлхүүр түгээлтийн үед боломжгүй юм. Хэдийгээр квант физик хэрэгждэг, Алис, Боб хоёр бие биенээ баталгаажуулж чаддаг гэх мэт хамгийн бага таамаглал шаардагддаг ч Ева Алиса эсвэл Бобыг дуурайж болохгүй, учир нь дунд хүнээс халдлага хийх боломжтой.
QKD нь аюулгүй мэт боловч түүний програмууд практик сорилтуудтай тулгардаг. Дамжуулах зай болон түлхүүр үүсгэх хурдны хязгаарлалтаас шалтгаалан ийм тохиолдол гардаг. Тасралтгүй судалгаа, технологийн дэвшил нь ийм хязгаарлалтыг ирээдүйд ахиулах боломжийг олгосон. Лукамарини нар. 2018 онд хоёр талбарт QKD системийг санал болгосон бөгөөд энэ нь харилцаа холбооны сувгийн хурдны алдагдлын масштабыг даван туулах боломжтой юм. 340 километрийн оптик шилэнд ихэр талбайн протоколын хурд нь давталтгүй PLOB холболт гэгддэг алдагдалтай сувгийн нууц түлхүүр-гэрээний хүчин чадлаас давж байгааг харуулсан; Түүний хамгийн тохиромжтой хурд нь 200 километрийн зайд энэ хязгаараас давж, давтан дамжуулагчийн тусламжтайгаар нууц түлхүүрийн хэлэлцээрийн өндөр хүчин чадлын хурд-алдагдлын масштабыг дагаж мөрддөг (дэлгэрэнгүйг 1-р зургийг үзнэ үү). Протоколын дагуу харилцаа холбоонд аль хэдийн өргөн хэрэглэгдэж байгаа "550 километр ердийн оптик утас" -ыг ашиглан хамгийн тохиромжтой гол хурдыг олж авах боломжтой. Анхны үр дүнтэй квант давталт гэж нэрлэгдсэн Minder нар 2019 онд QKD-ийн хурд-алдагдлын хязгаараас давсан анхны туршилтын туршилтаар онолын дүгнэлтийг баталжээ. TF-QKD-ийн илгээх-илгээгүй (SNS) хувилбар протокол нь хол зайд өндөр хурдтай хүрч чадсан томоохон нээлтүүдийн нэг юм.
Итгэлгүй квант криптограф
Итгэлгүй криптографийн оролцогчид бие биедээ итгэдэггүй. Жишээлбэл, Алис, Боб нар хоёр тал хувийн оролтоор хангадаг тооцооллыг дуусгахын тулд хамтран ажилладаг. Харин Алис Бобд, Боб Алисад итгэдэггүй. Үүний үр дүнд криптографийн ажлыг найдвартай хэрэгжүүлэхийн тулд тооцоо хийж дууссаны дараа Бобыг хуураагүй гэсэн Алис, харин Алисыг хуураагүй гэсэн Бобын баталгаа шаардлагатай болдог. Зоос эргүүлэх, үл тоомсорлон шилжүүлэх даалгавруудыг багтаасан амлалтын схем ба найдвартай тооцоолол нь үл итгэх криптографийн даалгавруудын жишээ юм. Найдваргүй криптографийн талбарт түлхүүр хуваарилалтыг оруулаагүй болно. Итгэлгүй квант криптограф нь итгэлгүй криптографийн салбарт квант системийг ашиглахыг судалдаг.
Зөвхөн квант физикийн хуулиар болзолгүй аюулгүй байдлыг хангах боломжтой квант түлхүүрийн хуваарилалтаас ялгаатай нь үл итгэсэн янз бүрийн даалгаврын үед болзолгүй аюулгүй протоколыг зөвхөн квант физикийн хуулиар бий болгож болохгүйг нотлох ямар ч боломжгүй теоремууд байдаг. криптограф. Гэсэн хэдий ч протоколууд нь квант физик болон харьцангуйн тусгай онолын аль алиныг нь ашигласан тохиолдолд эдгээр ажлуудын заримыг үнэмлэхүй аюулгүйгээр гүйцэтгэх боломжтой. Жишээлбэл, Майерс, Ло, Чау нар квант битийн бүрэн найдвартай амлалт нь боломжгүй гэдгийг харуулсан. Ло, Чау нар болзолгүйгээр найдвартай төгс квант зоос эргүүлэх боломжгүй гэдгийг харуулсан. Цаашилбал, Ло хоёроос нэгийг үл тоомсорлож шилжүүлэх квант протоколууд болон бусад аюулгүй хоёр талын тооцооллын аюулгүй байдлыг баталгаажуулж чадахгүй гэдгийг харуулсан. Харин Кент зоос эргүүлэх болон битийн амлалтад зориулсан болзолгүй найдвартай харьцангуй протоколуудыг харуулсан.
Квантын зоос эргүүлэх
Квантын зоос эргүүлэх нь квант түлхүүрийн хуваарилалтаас ялгаатай нь бие биедээ итгэдэггүй хоёр талын хооронд хэрэглэгддэг механизм юм. Оролцогчид квант сувгаар холбогдож, кубит дамжуулалтаар мэдээлэл солилцдог. Гэсэн хэдий ч Алис, Боб хоёр бие биедээ итгэдэггүй тул хоёулаа нөгөөгөөсөө хуурна гэж найдаж байна. Үүний үр дүнд хүссэн үр дүндээ хүрэхийн тулд Алиса, Боб хоёрын аль нь ч нөгөөгөөсөө хамаагүй давуу байхын тулд илүү их ажил хийх хэрэгтэй. Хязгаарлалт гэдэг нь тодорхой үр дүнд нөлөөлөх чадвар бөгөөд хууран мэхлэлт гэж нэрлэгддэг шударга бус тоглогчийн хэвийх байдлыг арилгахын тулд протокол боловсруулахад маш их хүчин чармайлт гаргадаг. Квантын зоос эргүүлэх гэх мэт квант холбооны протоколууд нь практикт хэрэгжүүлэхэд бэрхшээлтэй байж болох ч уламжлалт харилцаа холбооноос аюулгүй байдлын ихээхэн давуу талтай болох нь батлагдсан.
Дараах нь зоос эргүүлэх ердийн протокол юм.
- Алис суурь (шулуун эсвэл диагональ) сонгож, Боб руу хүргэхийн тулд тэр суурьт фотонуудын хэлхээ үүсгэдэг.
- Боб фотон бүрийг санамсаргүй байдлаар хэмжихийн тулд шулуун эсвэл диагональ суурийг сонгож, аль суурь ашигласан болон бүртгэгдсэн утгыг тэмдэглэв.
- Боб Алис кубитээ илгээсэн суурийн талаар олон нийтэд таамаглаж байна.
- Алис өөрийн сонголтоо илчилж, Боб руу анхны утсаа илгээв.
- Боб Алисын утсыг хүснэгттэйгээ харьцуулан баталж байна. Энэ нь Алисын үндсэн дээр хийсэн Бобын хэмжилттэй төгс холбоотой байх ёстой бөгөөд эсрэгээр нь огт хамааралгүй байх ёстой.
Тоглогч тодорхой үр дүнд хүрэх магадлалд нөлөөлөх эсвэл сайжруулахыг оролдох үед үүнийг хууран мэхлэлт гэж нэрлэдэг. Хууран мэхлэлтийн зарим хэлбэрийг протоколоор хориглодог; жишээ нь, Алис Боб 4-р алхам дээр зөв таамаглахдаа анхны үндэслэлээ буруу таасан гэж хэлж болох ч дараа нь Алис эсрэг талын хүснэгтэд Бобын хэмжсэн зүйлтэй төгс хамааралтай шинэ кубит мөрийг үүсгэх шаардлагатай болно. Шилжүүлсэн кубитийн тоогоор түүний тохирох кубит хэлхээ үүсгэх боломж нь экспоненциалаар буурч, хэрэв Боб таарахгүй байгааг анзаарвал түүнийг худлаа ярьж байгааг мэдэх болно. Алис ч мөн адил төлөвүүдийг нэгтгэн фотонуудын цуваа үүсгэж болох ч Боб түүний хэлхээ нь хүснэгтийн хоёр талтай бага зэрэг (гэхдээ бүрэн биш) таарч байгааг олж харсан нь түүнийг хууран мэхэлсэнийг илтгэнэ. Орчин үеийн квант төхөөрөмжид ч мөн адил сул тал бий. Бобын хэмжилтэд алдаа, алдагдсан кубит нөлөөлж, түүний хэмжилтийн хүснэгтэд нүх гарч ирнэ. Бобын 5-р алхам дахь Алисын кубит дарааллыг шалгах чадвар нь хэмжилтийн томоохон алдаанаас болж саад болно.
Эйнштейн-Подольский-Розен (EPR) парадокс нь Алисыг хуурах онолын хувьд тодорхой арга замуудын нэг юм. EPR хосын хоёр фотон нь харилцан хамааралтай байдаг бөгөөд энэ нь ижил үндсэн дээр хэмжихэд тэдгээр нь үргэлж эсрэг туйлшралтай байх болно гэсэн үг юм. Алис EPR хосын цуваа үүсгэж, нэгийг нь Боб руу илгээж, нөгөөг нь өөртөө үлдээж магадгүй. Тэрээр өөрийн EPR хос фотонуудыг эсрэгээр хэмжиж, Боб таамаглалаа илэрхийлэх үед Бобын эсрэг талын хүснэгттэй төгс хамаарлыг олж авч чадна. Боб түүнийг хуурсан гэж огт төсөөлөөгүй. Гэсэн хэдий ч энэ нь квант технологид одоогоор дутагдаж буй ур чадвар шаарддаг тул практикт хүрэх боломжгүй болгодог. Үүнийг гаргахын тулд Алис бүх фотоныг удаан хугацаанд хадгалж, бараг төгс нарийвчлалтайгаар хэмжих чадвартай байх ёстой. Учир нь хадгалах эсвэл хэмжилт хийх явцад алдагдсан фотон бүр түүний утсанд нүх үлдээдэг бөгөөд тэр үүнийг таамаглалаар дүүргэх ёстой байв. Тэр олон таамаг дэвшүүлэх тусам Бобыг хуурч байгаад баригдах магадлал өндөр болно.
Квантын амлалт
Итгэлгүй талууд байгаа тохиолдолд квант зоос эргүүлэхээс гадна квант амлалтын аргыг ашигладаг. Амлалт өгөх схем нь талуудад Алис үнэ цэнийг засах ("ажиллах") боломжийг олгодог бөгөөд ингэснээр Алис үүнийг өөрчлөх боломжгүй бөгөөд хүлээн авагч Боб Алис үүнийг илчлэх хүртэл энэ талаар юу ч сурч чадахгүй. Криптографийн протоколууд ийм үүрэг хариуцлагын механизмыг ихэвчлэн ашигладаг (жишээ нь: Квантын зоос эргүүлэх, Тэг мэдлэгтэй нотлох баримт, хоёр талын аюулгүй тооцоолол, Маргаашгүй дамжуулалт).
Тэд ялангуяа квантын нөхцөлд ашигтай байх болно: Крепо, Килиан нар үл тоомсорлож буй шилжүүлгийг гүйцэтгэх ямар ч болзолгүй аюулгүй протоколыг амлалт ба квант сувгаас бүтээж болохыг харуулсан. Харин Килиан үл тоомсорлон дамжуулалтаар бараг бүх тархсан тооцооллыг найдвартай (аюулгүй олон талт тооцоолол гэж нэрлэдэг) бүтээхэд ашиглаж болохыг харуулсан. (Энд бид бага зэрэг хайхрамжгүй байгааг анзаараарай: Крепо, Килиан нарын олж мэдсэн зүйл нь амлалт, квант сувгийн тусламжтайгаар олон талт аюулгүй тооцооллыг гүйцэтгэх боломжтой гэдгийг шууд заагаагүй. Энэ нь үр дүн нь "нийлмэл байдлыг" баталгаажуулдаггүйтэй холбоотой юм. Энэ нь та тэдгээрийг нэгтгэх үед та аюулгүй байдлыг алдах эрсдэлтэй гэсэн үг юм.
Харамсалтай нь квант амлалтын эхэн үеийн механизмууд алдаатай байсан. Майерс (болзолгүй аюулгүй) квант амлалт нь боломжгүй гэдгийг харуулсан: аливаа квант амлалтын протоколыг тооцооллын хувьд хязгааргүй халдагч эвдэж болно.
Гэсэн хэдий ч Майерсийн нээлт нь квант холболтыг ашигладаггүй амлалтын протоколд шаардагдахаас хамаагүй сул таамаглалыг ашиглан квант амлалтын протоколуудыг (мөн аюулгүй олон талт тооцооллын протоколуудыг) бий болгох боломжийг үгүйсгэхгүй. Амлалт протокол боловсруулахад квант холбоог ашиглаж болох нөхцөл байдал бол доор тайлбарласан хязгаарлагдмал квант хадгалах загвар юм. 2013 оны XNUMX-р сард хийсэн нээлт нь квант онол ба харьцангуйн онолыг хослуулснаар мэдээллийн "болзолгүй" аюулгүй байдлыг хангадаг бөгөөд энэ нь дэлхий даяар анх удаа үр дүнтэйгээр батлагдсан юм. Ван нар. "Нөхцөлгүй нуугдах" нь хамгийн тохиромжтой үүрэг хариуцлагын шинэ тогтолцоог танилцууллаа.
Криптографийн амлалтуудыг мөн физикийн хувьд хувилагдах боломжгүй функцуудыг ашиглан байгуулж болно.
Хязгаарлагдмал, чимээ шуугиантай квант хадгалах загвар
Хязгаарлагдмал квант хадгалалтын загварыг болзолгүй аюулгүй квант амлалт болон квантын үл тоомсорлон дамжуулах (OT) протокол (BQSM) үүсгэхэд ашиглаж болно. Энэ хувилбарт дайсны квант өгөгдөл хадгалах багтаамж нь мэдэгдэж буй тогтмол Q-аар хязгаарлагддаг гэж үздэг. Гэсэн хэдий ч дайсан хэр хэмжээний сонгодог (квант бус) өгөгдөл хадгалахад хязгаарлалт байхгүй.
Амлалт, үл тоомсорлон шилжүүлэх журмыг BQSM-д барьж болно. Дараах нь үндсэн ойлголт юм: Q-аас илүү квант битийг протоколын талууд (кубит) хооронд солилцдог. Шударга бус дайсан ч гэсэн эдгээр бүх өгөгдлийг хадгалах боломжгүй учраас (дайсны квант санах ой нь Q кубитээр хязгаарлагддаг) өгөгдлийн нэлээд хэсгийг хэмжих эсвэл устгах шаардлагатай болно. Шударга бус талуудыг өгөгдлийн нэлээд хэсгийг хэмжихийг албадснаар протокол нь боломжгүй үр дүнгээс зайлсхийж, үүрэг хариуцлага болон үл тоомсорлон шилжүүлэх протоколуудыг ашиглах боломжийг олгодог.
BQSM дахь Damgrd, Fehr, Salvail, Schaffner нарын протоколууд нь үнэнч протоколд оролцогчид аливаа квант мэдээллийг хадгалдаг гэж үздэггүй; техникийн шаардлагууд нь квант түлхүүр түгээлтийн протоколуудтай ижил байна. Тиймээс эдгээр протоколуудыг ядаж онолын хувьд өнөөгийн технологийн тусламжтайгаар хийж болно. Дайсны квант санах ойн харилцааны нарийн төвөгтэй байдал нь Q-ээс өндөр тогтмол хүчин зүйл юм.
BQSM нь дайсны квант санах ой хязгаарлагдмал гэсэн үндэслэлээр бодитой байх давуу талтай. Ганц кубитийг удаан хугацаанд найдвартай хадгалах нь өнөөгийн технологийн хувьд хэцүү байдаг. ("Хангалттай урт"-ын тодорхойлолтыг протоколын онцлогоор тодорхойлно.) Дайсан тал квант өгөгдлийг хадгалахад шаардагдах хугацааг протоколд зохиомол цоорхой нэмэх замаар дур зоргоороо уртасгаж болно.)
Wehner, Schaffner, Terhal нарын санал болгосон дуу чимээтэй хадгалах загвар нь BQSM-ийн өргөтгөл юм. Өрсөлдөгч нь дайсны квант санах ойн физик хэмжээ дээр дээд хязгаар тавихын оронд ямар ч хэмжээтэй гэмтэлтэй квант хадгалах төхөөрөмжийг ашиглахыг зөвшөөрдөг. Дуу чимээтэй квант сувгууд нь төгс бус байдлын түвшинг загварчлахад ашигладаг. BQSM-тэй ижил командуудыг дуу чимээний өндөр түвшинд үйлдвэрлэж болох тул BQSM нь шуугиантай хадгалах загварын өвөрмөц тохиолдол юм.
Сонгодог нөхцөл байдалд өрсөлдөгчийн хадгалах боломжтой сонгодог (квант бус) өгөгдлийн тоонд хязгаарлалт тавих замаар ижил төстэй үр дүнг авч болно. Гэсэн хэдий ч, энэ загварт шударга талууд мөн адил асар их хэмжээний санах ой (дайсанд холбогдсон санах ойн квадрат язгуур) ашиглах ёстой гэдгийг харуулсан. Үүний үр дүнд эдгээр аргууд нь бодит санах ойн хязгаарлалтын хувьд ажиллах боломжгүй юм. (Хард диск гэх мэт орчин үеийн технологийн тусламжтайгаар өрсөлдөгч нь асар их хэмжээний уламжлалт өгөгдлийг хямд үнээр хадгалах боломжтой гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй.)
Байршил дээр суурилсан квант криптограф
Байршилд суурилсан квант криптографийн зорилго нь тоглогчийн (зөвхөн) итгэмжлэлийг ашиглах явдал юм: газарзүйн байршил. Жишээлбэл, та тухайн байршилд байгаа тоглогч руу мессеж илгээхийг хүсэж байгаа бөгөөд хүлээн авагч нь тухайн байршилд байгаа тохиолдолд л унших боломжтой гэсэн баталгаатай гэж бодъё. Алис хэмээх тоглогчийн байрлалыг шалгах гол зорилго нь (шударга) шалгагчдыг тодорхой байршилд байгаа гэдгээ ятгах явдал юм. Чандран нар. Хамтран ажиллаж буй дайснууд (тэдгээрийн хэлсэн байр сууриас бусад бүх байрлалыг хянадаг) байгаа тохиолдолд уламжлалт протоколуудыг ашиглан байр сууриа баталгаажуулах боломжгүй гэдгийг харуулсан. Схемүүд нь дайснууд дээр янз бүрийн хязгаарлалт хийх боломжтой байдаг.
Кент 2002 онд анхны байрлалд суурилсан квант системийг "квант тэмдэглэгээ" нэрийн дор судалжээ. 2006 онд АНУ-ын патентыг авсан. 2010 онд байршлын баталгаажуулалтад квант эффект ашиглах санааг анх эрдэм шинжилгээний сэтгүүлд нийтэлсэн. 2010 онд байр сууриа баталгаажуулах хэд хэдэн квант протоколуудыг санал болгосны дараа Buhrman et al. ерөнхий боломжгүй үр дүнг зарласан: хуйвалдаан хийсэн дайснууд нь асар их хэмжээний квант орооцолдол (тэд үнэнч тоглогчийн ажиллуулдаг кубитийн тоогоор хоёр дахин экспоненциал тооны EPR хосыг ашигладаг) ашиглан өөрсдийн мэдүүлсэн байр сууринд байгаа мэт харагдагчид үргэлж харуулж чаддаг. дээр). Гэсэн хэдий ч, хязгаарлагдмал буюу чимээ шуугиантай квант хадгалах парадигмын хувьд энэ үр дүн нь ажиллах боломжтой аргуудыг үгүйсгэхгүй (дээрхийг харна уу). Бэйги, Кениг нар дараа нь байрлалыг шалгах аргуудын эсрэг өргөн довтолгоонд шаардагдах EPR хосуудын тоог экспоненциал түвшинд хүртэл нэмэгдүүлсэн. Тэд мөн протокол нь зөвхөн шугаман тооны EPR хосыг хянадаг дайснуудын эсрэг аюулгүй гэдгийг харуулсан. Квантын эффект ашиглан албан ёсны нөхцөлгүй байршлыг шалгах хэтийн төлөв нь цаг хугацаа-энергийн холболтын улмаас шийдэгдээгүй хэвээр байна гэж энд санал болгож байна. Байршилд суурилсан квант криптографийн судалгаа нь порт дээр суурилсан квант телепортацийн протоколтой холбоотой гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Энэ нь хэд хэдэн EPR хосыг нэгэн зэрэг порт болгон ашигладаг квант телепортацын илүү дэвшилтэт хувилбар юм.
Төхөөрөмжийн бие даасан квант криптограф
Хэрэв квант криптографийн протоколын аюулгүй байдал нь ашигласан квант төхөөрөмжүүдийн үнэн зөв эсэхээс хамаардаггүй бол түүнийг төхөөрөмжөөс хамааралгүй гэж нэрлэдэг. Үүний үр дүнд ийм протоколын аюулгүй байдлын шинжилгээнд алдаатай эсвэл бүр дайсагнасан төхөөрөмжүүдийн нөхцөл байдлыг тусгасан байх ёстой. Майерс, Яо нар квантын протоколуудыг "өөрийгөө шалгах" квант аппарат ашиглан зохион бүтээхийг санал болгосон бөгөөд тэдгээрийн дотоод үйл ажиллагаа нь оролт-гаралтын статистик мэдээллээр өвөрмөц байдлаар тодорхойлогддог. Үүний дараа Рожер Колбек дипломын ажилдаа гаджетуудын үнэнч байдлыг үнэлэхийн тулд Белл тестийг ашиглахыг дэмжсэн. Тэр цагаас хойш Bell-ийн туршилтыг гүйцэтгэж буй бодит төхөөрөмжүүд мэдэгдэхүйц "чимээтэй", өөрөөр хэлбэл хамгийн тохиромжтой зүйлээс хол байсан ч болзолгүй аюулгүй, төхөөрөмжөөс хамааралгүй протоколуудыг хүлээн зөвшөөрөх хэд хэдэн асуудал нотлогдсон. Квантын түлхүүрийн тархалт, санамсаргүй байдлын тэлэлт, санамсаргүй байдлын олшруулалт нь эдгээр асуудлын жишээ юм.
Арнон-Фридман нар хийсэн онолын судалгаа. 2018 онд Асимптотик тэгшитгэлийн шинж чанарын өргөтгөл болох "Энтропийн хуримтлалын теорем (EAT)" гэгддэг энтропийн шинж чанарыг ашиглах нь төхөөрөмжийн бие даасан протоколын аюулгүй байдлыг хангаж чадна гэдгийг харуулж байна.
Квантын дараах криптографи
Квантын компьютерууд технологийн бодит байдал болж магадгүй тул нэгд нь нэвтрэх эрхтэй дайснуудын эсрэг ашиглаж болох криптографийн алгоритмуудыг судлах нь маш чухал юм. Квантын дараах криптограф гэдэг нь ийм аргуудыг судлахыг тодорхойлоход хэрэглэгддэг нэр томъёо юм. Олон алдартай шифрлэлт, гарын үсэг зурах арга техникийг (ECC болон RSA дээр үндэслэсэн) Шорын алгоритмыг ашиглан квант компьютер дээр дискрет логарифмуудыг факторинг хийх, тооцоолох боломжтой бөгөөд энэ нь квантын дараах криптографийг шаарддаг. McEliece болон торонд суурилсан схемүүд, мөн ихэнх тэгш хэмт түлхүүр алгоритмууд нь өнөөгийн мэдлэгээр квант дайснуудын эсрэг найдвартай схемүүдийн жишээ юм. Квантын дараах криптографийн судалгааг хийх боломжтой.
Одоо байгаа шифрлэлтийн алгоритмуудыг мөн квантын дайсантай тэмцэхийн тулд тэдгээрийг хэрхэн шинэчлэхийг судлахын тулд судалж байна. Жишээлбэл, квант халдагчдаас хамгаалсан тэг мэдлэгийг баталгаажуулах системийг хөгжүүлэхийн тулд шинэ стратеги шаардагдана: Уламжлалт орчинд тэг мэдлэг нотлох системд дүн шинжилгээ хийх нь ихэвчлэн "буцааж эргүүлэх" аргыг шаарддаг бөгөөд энэ нь дайсны мэдээллийг хуулбарлах шаардлагатай болдог. дотоод байдал. Квантын контекст дэх төлөвийг хуулбарлах нь үргэлж боломжгүй байдаг (клончлохгүй теорем) учраас дахин эргүүлэх аргыг хэрэглэх шаардлагатай.
Пост квант алгоритмуудыг заримдаа "квант тэсвэртэй" гэж нэрлэдэг, учир нь квант түлхүүрийн тархалтаас ялгаатай нь ирээдүйн квант халдлага амжилтгүй болох нь тодорхойгүй эсвэл нотлогддог. NSA нь Шорын алгоритмд хамаарахгүй ч квант тэсвэртэй алгоритм руу шилжих хүсэлтэй байгаагаа зарлаж байна. Үндэсний Стандарт, Технологийн Хүрээлэн (NIST) квант аюулгүй командуудыг авч үзэх ёстой гэж үзэж байна.
Квантын түлхүүрийн хуваарилалтаас давсан квант криптограф
Квантын криптограф нь өнөөг хүртэл квант түлхүүр түгээлтийн протоколуудыг боловсруулахтай холбоотой байсан. Харамсалтай нь олон хос нууц түлхүүрийг бий болгох, ашиглах шаардлагаас болж квант түлхүүрийн түгээлтээр тархсан түлхүүр бүхий тэгш хэмт криптосистемүүд нь том сүлжээнүүдэд (олон хэрэглэгчид) үр ашиггүй болж байна ("түлхүүр удирдлагын асуудал" гэж нэрлэдэг). Цаашилбал, энэхүү түгээлт нь өдөр тутмын амьдралд чухал ач холбогдолтой олон төрлийн нэмэлт криптографийн процесс, үйлчилгээг зохицуулдаггүй. Криптографийн хувиргалт хийх сонгодог алгоритмуудыг агуулсан квант түлхүүрийн хуваарилалтаас ялгаатай нь Какийн гурван үе шаттай протокол нь бүрэн квантын аюулгүй харилцааны арга болгон танилцуулагдсан.
Түлхүүр хуваарилалтаас гадна квант криптографийн судалгаанд квант мессежийн баталгаажуулалт, квант дижитал гарын үсэг, квант нэг талын функцууд болон нийтийн түлхүүрийн шифрлэлт, квант хурууны хээ болон байгууллагын баталгаажуулалт (жишээлбэл, PUF-ийн квант уншилтыг үзнэ үү) гэх мэт орно.
Практик хэрэгжилт
Квантын криптограф нь мэдээллийн аюулгүй байдлын салбарт, наад зах нь зарчмын хувьд амжилттай эргэлтийн цэг болсон бололтой. Гэсэн хэдий ч ямар ч криптографийн арга хэзээ ч бүрэн аюулгүй байж чадахгүй. Квантын криптограф нь олон тооны үндсэн таамаглалд тулгуурлан практикт зөвхөн нөхцөлт аюулгүй байдаг.
Нэг фотоны эх үүсвэрийн таамаглал
Квантын түлхүүрийн тархалтын онолын үндэслэлд нэг фотоны эх үүсвэр гэж үздэг. Нөгөө талаас нэг фотоны эх үүсвэрийг бүтээхэд хэцүү бөгөөд ихэнх бодит квант шифрлэлтийн системүүд өгөгдөл дамжуулахын тулд лазерын сул эх үүсвэрт тулгуурладаг. Чагнасан халдлага, ялангуяа фотоныг хуваах халдлага нь эдгээр олон фотоны эх үүсвэрийг ашиглаж болно. Эва, сонсогч, олон фотоны эх сурвалжийг хоёр хувь болгон хувааж, нэгийг нь өөртөө үлдээх боломжтой. Үлдсэн фотонуудыг дараа нь Боб руу илгээсэн бөгөөд Ева өгөгдлийн хуулбарыг цуглуулсан гэсэн мэдээлэл байхгүй. Чагнуур байгаа эсэхийг шалгахын тулд хууран мэхлэгч төлөвийг ашиглах нь олон фотоны эх сурвалжийг аюулгүй байлгах боломжтой гэж эрдэмтэд баталж байна. Эрдэмтэд 2016 онд бараг төгс нэг фотоны эх үүсвэрийг гаргаж авсан бөгөөд ойрын ирээдүйд үүнийг бүтээнэ гэж тэд үзэж байна.
Ижил детекторын үр ашгийн таамаглал
Практикт квант түлхүүрийн түгээлтийн системүүд нь нэг фотоны хоёр мэдрэгч ашигладаг бөгөөд нэг нь Алис, нөгөө нь Боб юм. Эдгээр фотодетекторууд нь ирж буй фотоныг миллисекундын интервалд илрүүлэхийн тулд тохируулагдсан байдаг. Хоёр детекторын илрүүлэх цонхнууд нь тэдгээрийн хоорондох үйлдвэрлэлийн зөрүүгээс шалтгаалан хязгаарлагдмал хэмжээгээр шилжинэ. Алисын кубитийг хэмжиж, Бобд "хуурамч төлөв"-ийг өгснөөр Эва хэмээх чагнагч детекторын үр ашиггүй байдлыг ашиглаж чадна. Ева Бобд хүргэх шинэ фотон үүсгэхээс өмнө Алисын илгээсэн фотоныг цуглуулдаг. Ева "хуурамч" фотоны үе шат, цаг хугацааг өөрчилдөг тул Боб чагнагчийг илрүүлж чадахгүй. Энэ эмзэг байдлыг арилгах цорын ганц арга бол фотодетекторын үр ашгийн зөрүүг арилгах явдал бөгөөд энэ нь оптик замын уртын зөрүү, утасны уртын зөрүү болон бусад асуудлуудыг үүсгэдэг хязгаарлагдмал үйлдвэрлэлийн хүлцлийн улмаас хүндрэлтэй байдаг.
Баталгаажуулалтын сургалтын хөтөлбөртэй дэлгэрэнгүй танилцахын тулд та доорх хүснэгтийг өргөжүүлж, дүн шинжилгээ хийж болно.
EITC/IS/QCF Квантын криптографийн үндсэн гэрчилгээ олгох сургалтын хөтөлбөр нь видео хэлбэрээр нээлттэй хандалтын дидактик материалыг иш татдаг. Сургалтын үйл явц нь сургалтын хөтөлбөрийн холбогдох хэсгүүдийг хамарсан алхам алхмаар бүтцэд (хөтөлбөр -> хичээл -> сэдэв) хуваагдана. Домэйн мэргэжилтнүүдтэй хязгааргүй зөвлөгөө өгдөг.
Баталгаажуулалтын журмын талаарх дэлгэрэнгүй мэдээллийг шалгана уу Хэрхэн ажилладаг.
EITC/IS/QCF Quantum Cryptography Fundamentals програмын бүрэн оффлайн бие даан суралцах бэлтгэл материалыг PDF файлаар татаж авна уу.
EITC/IS/QCF бэлтгэх материал – стандарт хувилбар
EITC/IS/QCF-ийн бэлтгэл материалууд – хянан шалгах асуулт бүхий өргөтгөсөн хувилбар