A kvantumfizika teljesen új módszert kínál az információk védelmére. Miért van rá szükség, ma már lehetetlen biztonságos kommunikációs csatornát kialakítani? Természetesen megteheti. De a kvantumszámítógépeket már létrehozták, és abban a pillanatban, amikor mindenütt jelen lesznek, a modern titkosítási algoritmusok használhatatlanok lesznek, mivel ezek a nagy teljesítményű számítógépek a másodperc töredéke alatt képesek feltörni őket. A kvantumkommunikáció lehetővé teszi az információk titkosítását fotonok – elemi részecskék – használatával.
Az ilyen számítógépek, miután hozzáfértek a kvantumcsatornához, így vagy úgy megváltoztatják a fotonok valós állapotát. Az információk megszerzése pedig elrontja azt. Az információátvitel sebessége természetesen kisebb, mint más, jelenleg létező csatornáknál, például a telefonos kommunikációnál. De a kvantumkommunikáció sokkal nagyobb titkosságot biztosít. Ez persze nagyon nagy plusz. Különösen a mai világban, ahol a kiberbűnözés napról napra növekszik.
Kvantumkommunikáció bábuknak
Miután a galambpostát kiszorította a távíró, a távírót pedig a rádió. Természetesen mára nem tűnt el, de megjelentek más modern technológiák is. Alig tíz évvel ezelőtt az internet nem volt olyan elterjedt, mint manapság, és meglehetősen nehéz volt hozzáférni – internetes klubokba kellett járni, nagyon drága kártyákat vásárolni stb. Ma már nem élünk óra internet nélkül, és várjuk az 5G-t.
A következő új kommunikációs szabvány azonban nem fogja megoldani azokat a problémákat, amelyekkel most szembe kell néznie az internet segítségével történő adatcsere megszervezésével, a más bolygók településeiről származó műholdakról érkező adatok fogadásával stb. Ezeket az adatokat biztonságosan védeni kell. És ez megszervezhető az úgynevezett kvantumösszefonódás segítségével.
Mi az a kvantumkötés? A „bábuknak” ezt a jelenséget a különböző kvantumjellemzők összefüggéseként magyarázzák. Még akkor is megmarad, ha a részecskéket nagy távolság választja el egymástól. A kódolt és kvantumösszefonódással továbbított kulcs nem ad semmilyen értékes információt az elfogni próbáló crackereknek. Csak más számokat fognak kapni, mivel a rendszer állapota külső beavatkozással megváltozik.
De nem lehetett világméretű adatátviteli rendszert létrehozni, mert néhány tíz kilométer után elhalkult a jel. A 2016-ban felbocsátott műhold segít megvalósítani a kvantumkulcs-átviteli rendszert több mint 7000 km távolságra.
Első sikeres kísérletek az új kapcsolat használatára
A legelső kvantumkriptográfiai protokollt 1984-ben szerezték bed) Ma ezt a technológiát sikeresen alkalmazzák a bankszektorban. A jól ismert cégek általuk létrehozott kriptorendszereket kínálnak.
A kvantumkommunikációs vonal szabványos optikai kábelen történik. Oroszországban az első biztonságos csatornát a Gazprombank Novye Cheryomuski és a Korovy Val fiókjai között fektették le. A teljes hossza 30,6 km, hibák előfordulnak a kulcsátvitel során, de arányuk minimális - csak 5%.
Kína felbocsátja kvantumkommunikációs műholdat
Kínában felbocsátották a világ első ilyen műholdját. A Long March-2D rakétát 2016. augusztus 16-án lőtték fel a Jiu Quan kilövőhelyről. Egy 600 kg tömegű műhold 2 évig repül napszinkron pályán, 310 mérföld (vagy 500 km) magasan a "Kvantumkísérletek kozmikus léptékben" program részeként. Az eszköz Föld körüli forgási ideje másfél óra.
A kvantumkommunikációs műholdat Miciusnak vagy "Mo-Tzunak" hívják, egy filozófus után, aki az i.sz. 5. században élt. és a közvélekedés szerint az első, aki optikai kísérleteket végzett. A tudósok tanulmányozni fogják a kvantumösszefonódás mechanizmusát, és kvantumteleportációt fognak végrehajtani egy műhold és egy tibeti laboratórium között.
Ez utóbbi egy adott távolságra továbbítja a részecske kvantumállapotát. Ennek a folyamatnak a megvalósításához egy pár összegabalyodott (más szóval összekapcsolt) részecskére van szükség, amelyek egymástól távol helyezkednek el. A kvantumfizika szerint még akkor is képesek információkat rögzíteni egy partner állapotáról, ha távol vannak egymástól. Vagyis biztosítani tudodbehatás egy részecskére, amely a mélyűrben van, és hatással van a közelben lévő partnerére a laboratóriumban.
A műhold két összegabalyodott fotont hoz létre, és a Földre küldi őket. Ha a tapasztalat sikeres, egy új korszak kezdetét jelenti. Az ilyen műholdak tucatjai nemcsak a kvantuminternet mindenütt jelenlétét biztosíthatják, hanem kvantumkommunikációt is biztosíthatnak az űrben a jövőbeni Marson és a Holdon történő letelepedéshez.
Miért van szükségünk ilyen műholdakra
De miért van szükség kvantumkommunikációs műholdra? Nem elegendőek a már létező hagyományos műholdak? A helyzet az, hogy ezek a műholdak nem fogják felváltani a szokásosakat. A kvantumkommunikáció elve a meglévő hagyományos adatátviteli csatornák kódolása és védelme. Segítségével például Svájcban már a 2007-es parlamenti választások idején biztosították a biztonságot.
A Battelle Memorial Institute, egy non-profit kutatószervezet, az Egyesült Államok (Ohio) és Írország (Dublin) fejezetei között kvantumösszefonódás segítségével cserél információkat. Elve a fotonok - a fény elemi részecskéi - viselkedésén alapul. Segítségükkel az információkat kódolják és elküldik a címzettnek. Elméletileg még a leggondosabb beavatkozási kísérlet is nyomot hagy. A kvantumkulcs azonnal megváltozik, és a megkísérelt hacker értelmetlen karakterkészletet kap. Ezért az ezeken a kommunikációs csatornákon keresztül továbbított összes adatot nem lehet lehallgatni vagy másolni.
Műholdsegít a tudósoknak tesztelni a kulcselosztást a földi állomások és maga a műhold között.
A kvantumkommunikáció Kínában 2 ezer km összhosszúságú, 4 várost Sanghajtól Pekingig egyesítő optikai kábeleknek köszönhetően valósul meg. A fotonok sorozata nem továbbítható a végtelenségig, és minél nagyobb az állomások közötti távolság, annál nagyobb az esélye annak, hogy az információ megsérül.
Bizonyos távolság után a jel elhalványul, és a tudósoknak módot kell adni arra, hogy 100 km-enként frissítsék a jelet, hogy fenntartsák a helyes információátvitelt. A kábeleknél ez a bevált csomópontokon keresztül érhető el, ahol a kulcsot elemzik, új fotonok másolják, és továbbhaladnak.
Egy kis történelem
1984-ben Brassard J., a Montreali Egyetem munkatársa és Bennet C., az IBM-től azt javasolta, hogy a fotonokat fel lehetne használni a kriptográfiában egy biztonságos alapcsatorna létrehozására. Javasoltak egy egyszerű sémát a titkosítási kulcsok kvantum-újraelosztására, amelyet BB84-nek neveztek.
Ez a séma egy kvantumcsatornát használ, amelyen keresztül az információ polarizált kvantumállapotok formájában kerül továbbításra két felhasználó között. Egy lehallgató hacker megpróbálhatja megmérni ezeket a fotonokat, de nem tudja megtenni, ahogy fentebb említettük, anélkül, hogy eltorzítaná őket. 1989-ben az IBM Research Centerben Brassard és Bennet megalkotta a világ első működő kvantumkriptográfiai rendszerét.
Mit csinál egy kvantumoptikaikriptográfiai rendszer (KOKS)
A COKS fő műszaki jellemzőit (hibaarány, adatátviteli sebesség stb.) a kvantumállapotokat képező, továbbító és mérő csatornaképző elemek paraméterei határozzák meg. A COKS rendszerint vevő és adó részekből áll, amelyeket egy átviteli csatorna köt össze.
A sugárforrások 3 osztályba vannak osztva:
- lézerek;
- mikrolézerek;
- fénykibocsátó diódák.
Az optikai jelek átviteléhez száloptikai LED-eket használnak médiumként, különféle kialakítású kábelekben kombinálva.
A kvantumkommunikációs titok természete
A kvantumtörvények lépnek életbe azoktól a jelektől, amelyekben az átvitt információt több ezer fotonból álló impulzusok kódolják, olyan jelekké, amelyekben átlagosan egynél kevesebb van impulzusonként. Ezeknek a törvényeknek a klasszikus kriptográfiával való alkalmazása biztosítja a titkosságot.
A Heisenberg-féle bizonytalansági elvet a kvantumkriptográfiai eszközökben használják, és ennek köszönhetően a kvantumrendszer megváltoztatására tett kísérletek megváltoztatják azt, és az ilyen mérésből származó képződést a fogadó fél hamisnak minősíti.
A kvantumkriptográfia 100%-ban feltörésbiztos?
Elméletileg igen, de a műszaki megoldások nem teljesen megbízhatóak. A támadók lézersugarat kezdtek használni, amellyel elvakították a kvantumdetektorokat, ami után nem reagálnaka fotonok kvantumtulajdonságai. Néha több fotonból álló forrásokat használnak, és a hackerek kihagyhatják az egyiket, és megmérhetik az azonos forrásokat.
