Hintergrund: Quantenfinger-Kryptographie

Die Geschichte der Quantenkryptographie begann nicht mit Kommunikationstechnologien, sondern mit dem Versuch, ein völlig anderes Problem zu lösen - Geld zu schaffen, das nicht gefälscht werden kann.

1983 schlug Stephen Wiesner von der Columbia University vor , staatlich hergestellte Quantenbanknoten zu erstellen, die nicht kopiert werden können, selbst wenn jemand, der dies möchte, über die Druckausrüstung und das Papier verfügt, mit denen das Original hergestellt wurde. Die Wahrscheinlichkeit, eine exakte Kopie eines durch die Quantentechnologie geschützten Originals zu erstellen, liegt bei Null.

Wie hat alles angefangen?

Das Wesentliche der Technologie ist, dass sich auf jeder Banknote Fallen mit Photonen befinden, von denen jede auf eine bestimmte Weise nach zwei verschiedenen Grundlagen polarisiert ist. Eine Basis für die "kreuzförmige" Polarisation: Das Photon könnte in einem Winkel von 0 oder 90 Grad zu einer bestimmten Vertikalen polarisiert werden, und die zweite - Diagonale, dh mit Winkeln von 45 und 135 Grad.

Um eine Banknote zu kopieren, muss der Fälscher die Polarisation der Photonen messen, aber er weiß nicht, auf welcher Grundlage jede von ihnen polarisiert ist (die Zentralbank speichert diese Informationen sowie die Polarisationsparameter geheim und nur er weiß, welche Polarisationen der Banknotennummer entsprechen). Ein Verbrecher kann zufällig Basen auswählen, und dann hat er einige Erfolgschancen, wenn auch sehr gering. Sie werden jedoch unbedeutend, wenn Sie photonische Fallen erstellen. Das heißt, um die Anzahl der Photonen auf jeder Banknote zu erhöhen (die Wahrscheinlichkeit des Erratens nimmt als inverse Potenzfunktion der Anzahl der Photonen ab). Wenn jede Banknote mit einem Dutzend Fallen ausgestattet ist, sinkt die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Fälschung auf nahezu Null.

Es war eine großartige Idee, aber leider technisch nicht machbar: Praktische und erschwingliche Massenfallen für Photonen, die für die Platzierung auf Geld geeignet sind, wurden noch nicht erstellt.

Was ist Quantenkommunikation und wann erschien das Arbeitssystem?

Wiesner schlug auch vor, mit einem ähnlichen Mechanismus vertrauliche Kommunikationskanäle zu schaffen. Ein Jahr nach der Veröffentlichung seines Artikels entwickelten die Wissenschaftler Gilles Brassard und Charles Bennet das erste Protokoll für die Quantenkommunikation, das sie nach den ersten Buchstaben ihres Namens und dem Jahr der Entwicklung der Technologie benannten - BB84. Dieses Protokoll ist in modernen Quantenkommunikationsnetzen weit verbreitet.

Bennett und Brassard schlugen vor, Daten in den Quantenzuständen einzelner Photonen zu codieren, beispielsweise in ihrer Polarisation. Wie bei anderen Quantenobjekten wirkt sich die Tatsache der Messung selbst notwendigerweise auf den Zustand des Objekts aus. Wenn also jemand anderes versucht, die Übertragung von Photonen zu „belauschen“ - das heißt, um die Zustände der Photonen zu messen, die wir austauschen, werden wir dies bemerken, weil sie sich ändern werden Zustände von Photonen. Daher ist es theoretisch unmöglich, eine Verbindung zum Kanal der Quantendatenübertragung herzustellen, die im Prinzip unbemerkt bleibt - die Grundgesetze der Quantenmechanik lassen dies nicht zu (in der Praxis weist diese Technologie auch einige Schwachstellen auf, mehr dazu weiter unten).

Das BB84-Protokoll funktioniert wie folgt. Einer der Gesprächspartner (traditionell Alice genannt) sendet die anderen (Bob) Photonen, die in einer von zwei nicht orthogonalen Basen polarisiert sind: rechteckig oder diagonal. Bob empfängt sie und misst die Polarisation, wählt die Basis für die Messung nach dem Zufallsprinzip und schreibt die Messergebnisse und -basen. Dann tauschen er und Alice über einen offenen Kanal Informationen über die verwendeten Basen (aber nicht über die Messergebnisse) aus, und die mit nicht übereinstimmenden Basen erhaltenen Daten werden zurückgesetzt. Es bleiben nur die in den Matching-Basen gemessenen Werte übrig (in der Technologie der Quantenschlüsselverteilung wird dies als "Schlüsselsieben" bezeichnet).


Wolfgang Tittel, Grégoire Ribordy und Nicolas Gisin, Quantenkryptographie, Physikwelt, Band 11, Nummer 3 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2058—7058/11/3/30

Ein möglicher „Spion“, der die Datenübertragung auf dieser Kommunikationsleitung belauscht (normalerweise Eve genannt), kann ein einzelnes Photon abfangen, seine Polarisation messen und versuchen, eine Kopie des Photons an Bob weiterzuleiten.

In Übereinstimmung mit dem Satz über die Unmöglichkeit des Klonens eines beliebigen Quantenzustands führt dies jedoch zu einer Erhöhung der Anzahl von Fehlern im verteilten Quantenschlüssel. Infolgedessen werden sowohl Alice als auch Bob verstehen, dass ein Außenstehender ihren Kanal hört. Um die Fehlerquote im Schlüssel nach dem Quantenverteilungsverfahren zu bestimmen, vergleichen Alice und Bob einen kleinen Teil des Schlüssels über den offenen Kanal. Es wird angenommen, dass die Sicherheit der Kommunikationsleitung garantiert werden kann, wenn die Schlüsselfehlerquote weniger als 11 Prozent beträgt.

Bennett und Brassard führten Ende Oktober 1989 das erste Experiment zur Übertragung von Informationen auf einem Quantenkanal durch. Sie hatten kein Glück - ihre Idee wurde nicht ernst genommen, und so beschlossen die Wissenschaftler, auf eigene Kosten einen Prototyp des Versuchsaufbaus zu erstellen. Implementieren Sie Hilfeinstallationsfreunde. Die erste Installation für absolut sichere Quantenkommunikation übertrug Daten über eine Entfernung von 32,5 Zentimetern. Brassard erinnert sich, dass sein System den Datenschutz nur vor einer Person bot, die völlig taub wäre: Die Stromversorgung war sehr laut und das Rauschen war unterschiedlich, je nachdem, welche Polarisation die Photonen im Moment bereitstellten.

Trotz aller Mängel funktionierte die Installation. Von diesem Moment an begann die Geschichte der Quantenkommunikation und der Quantennetzwerke, die sich heute über Tausende von Kilometern erstrecken und in den Weltraum gehen.

Warum ist das alles notwendig?

Ohne Verschlüsselung werden heute praktisch keine Daten übertragen. Die gängigsten Verschlüsselungsmethoden, die derzeit verwendet werden, basieren auf einer Annahme: Das Entschlüsseln von Nachrichten ist so kompliziert, dass die Rechenleistung des Angreifers nicht ausreicht, um sie zu lösen. Mit anderen Worten, die Kosten (sowohl in Geld als auch in Zeit) der Entschlüsselung werden sich als unverhältnismäßig höher herausstellen als der Wert der so erhaltenen Informationen. Dies gilt sowohl für die symmetrische Verschlüsselung (AES, DES, russisches GOST 28147-89 ) als auch für die asymmetrische (z. B. RSA).

Ist Quantenkommunikation so sicher?

Im Moment ist es völlig sicher, aber die Situation könnte sich aufgrund des Aufkommens eines Quantencomputers bald ändern.

Tatsache ist, dass in Verschlüsselungssystemen mit öffentlichem Schlüssel die sogenannten Einwegfunktionen verwendet werden, bei denen nach einem bekannten Argument das Ermitteln des Werts der Funktion recht einfach ist, die umgekehrte Operation jedoch äußerst kompliziert ist. Zum Beispiel ist das Multiplizieren selbst sehr großer Zahlen eine einfache Aufgabe für einen Computer, aber das Gegenteil - Faktorisierung (Faktorisierung) - erfordert um ein Vielfaches mehr Rechenzeit als zur Lösung des ursprünglichen Problems, und die Komplexität dieser Aufgabe wächst mit zunehmender Anzahl schnell.

Die Verwendung der Asymmetrie von Multiplikation und Faktorisierung basiert beispielsweise auf dem weit verbreiteten RSA-Verschlüsselungsalgorithmus und vielen anderen Verschlüsselungssystemen, die als "asymmetrisch" bezeichnet werden. Ihr Hauptvorteil besteht darin, dass für ihre Verwendung keine Verschlüsselungsschlüssel über einen speziellen sicheren Kanal (z. B. ein Flash-Laufwerk mit einem vertrauenswürdigen Kurier) übertragen werden müssen, wie dies bei symmetrischen Algorithmen der Fall ist, bei denen derselbe geheime Schlüssel für die Ver- und Entschlüsselung verwendet wird.

Bei asymmetrischen Technologien werden zwei Schlüssel verwendet - öffentlich und privat, der erste kann über Netzwerke übertragen werden und nur zum Verschlüsseln einer Nachricht verwendet werden. Für die Entschlüsselung ist ein privater Schlüssel erforderlich, der vom Benutzer gespeichert wird. Der private und der öffentliche Schlüssel sind durch eine asymmetrische Funktion miteinander verbunden, und es wird angenommen, dass es praktisch unmöglich ist, einen privaten Schlüssel mithilfe moderner Technologien aus einem öffentlichen Schlüssel wiederherzustellen (dies kann Milliarden von Jahren dauern).

Aber jetzt, in Zukunft, kann sich die Situation ändern, wenn Quantencomputer auftauchen. Bereits Mitte der neunziger Jahre entwickelte der Mathematiker Peter Shore einen Quantenalgorithmus, der seinen Namen erhielt. Der Algorithmus ermöglicht eine Faktorisierung fast so schnell wie eine Multiplikation. Quantengeräte, auf denen der Shore-Algorithmus ausgeführt werden kann, existieren bereits, aber bisher haben sie nur die Zahlen 15 und 21 erfolgreich faktorisiert. Mit dem Aufkommen fortschrittlicherer Quantenmaschinen werden alle auf dieser Asymmetrie basierenden Kryptosysteme unbrauchbar.

Einige Wissenschaftler nennen den Quantencomputer „die Informationsatombombe“, die die meisten Informationen und Bankdienstleistungen, an die wir heute gewöhnt sind, entfernen muss: Etwa 50% des Internetverkehrs dieser Dienste wird mit Public-Key-Algorithmen codiert. Darüber hinaus bedeutet die Tatsache, dass jetzt kein Quantencomputer erstellt wurde, nicht, dass die Daten, die Sie jetzt austauschen, sicher sind - möglicherweise werden sie in Zukunft entschlüsselt. Beispielsweise speichert der US-Geheimdienst NSA in seinem Rechenzentrum in Utah mindestens einige Exabyte unverschlüsselter Daten . Sobald neue Entschlüsselungsmethoden angezeigt werden, können diese entschlüsselt werden.

Die Quantenphysik bietet uns aber auch Schutz vor den Rechenfähigkeiten von Quanten- und zukünftigen klassischen Computern und Rechenalgorithmen - der Quantenverteilung von Schlüsseln.

Ist das nur eine Theorie oder gibt es reale Fälle?

Kurz gesagt, es war lange nicht nur eine Theorie. Der Markt für Quantentechnologie ist noch klein. Das erste Unternehmen, das sich zum Ziel gesetzt hat, mit Quantenkryptographie Geld zu verdienen - ID Quantique - erschien zehn Jahre nach den ersten Experimenten der Bennett-Gruppe im Jahr 2001. Es wurde von Einwanderern der Universität Genf gegründet, darunter der herausragende Physiker Nicolas Gisin. Die erste, die Technologie auf kommerzielles Fundament stellte, war American Magiq Technologies Inc. Im November 2003 gab sie bekannt, dass sie bereit sei, ihren potenziellen Kunden ein Quantenschlüssel-Verteilungssystem anzubieten, das in einer Entfernung von 120 Kilometern betrieben werden kann.

Einige Monate später brachte ID Quantique sein System auf den Markt und wurde sehr bald einer der Marktführer. Mit Hilfe von Quantentechnologien organisierte sie den Datenschutz während der Regionalwahlen in Genf 2007 und stellte im Februar 2018 einen Rekord für die Reichweite der Übertragung von Quantendaten über Glasfaserkabel auf - 421 Kilometer.

Reichweite und Datenrate bleiben weiterhin das Hauptproblem der Quantenkommunikation. Tatsache ist, dass die übertragenen Daten in Einzelphotonenzuständen codiert sind. In diesem Stadium sind Quantenkommunikationsleitungen sehr anfällig für Interferenzen und Rauschen. Daher wird in der Praxis die Übertragung eines Quantenschlüssels in Backbone-Netzwerken über Entfernungen von bis zu 100 km durchgeführt. Bei größeren Entfernungen wird die Geschwindigkeit der Schlüsselgenerierung zu niedrig.


Phys. Rev. Lett. 121, 190502 (2018) Sichere Quantenschlüsselverteilung über 421 km Glasfaser

In den meisten Fällen wird die Quantenkommunikation innerhalb derselben Siedlung verwendet. Für größere Entfernungen werden Quantennetzwerke aus vielen separaten Fragmenten aufgebaut, die durch speziell geschützte Knoten verbunden sind.

Heute dominieren drei Unternehmen den globalen Markt für kommerzielle Quantenkommunikationssysteme: das chinesische Unternehmen Qasky und QuantumCTek sowie das Schweizer ID Quantique. Sie liefern nahezu das gesamte Spektrum an Lösungen und Komponenten: von Quellen und Detektoren einzelner Photonen über Quantenzufallszahlengeneratoren bis hin zu integrierten Geräten:

• ID Quantique bietet zwei Arten von Systemen an: basierend auf einer bidirektionalen Schaltung (Plug and Play) und einem kohärenten Single-Pass (kohärente Einweg - COW). Diese Geräte sind für den Betrieb in städtischen Glasfasernetzen ausgelegt und ermöglichen die Übertragung von Quantenschlüsseln in Entfernungen von bis zu 70 Kilometern.
• Qasky produziert Systeme für Regierungsbehörden, es gibt keine Produkte auf dem Markt.
• QuantumCTek zeigte 2018 Geräte für städtische Netze: Schlüsselgenerierungssysteme, kompatible Switches, Geräte für sichere Telefonie.

Quantenkommunikationsschutztechnologien werden von großen Banken und Finanzorganisationen, Regierungsbehörden sowie Rechenzentren aktiv eingesetzt. Der weltweite Markt für Quantenkryptografie wurde 2018 auf 343 Millionen US-Dollar geschätzt , und im Jahr 2021 wird sich seine Größe voraussichtlich auf 506 Millionen US-Dollar verdoppeln. In Russland fanden Anfang der 2000er Jahre am Institut für Halbleiterphysik SB RAS die ersten Versuche statt, Quantenschlüssel ins Labor zu übertragen. 2014 wurde an der ITMO-Universität St. Petersburg ein Prototyp eines funktionierenden Quantenkommunikationssystems vorgestellt - dann ging es darum, Daten zwischen zwei Gebäuden einer Universität in einer Entfernung von 1 Kilometer zu übertragen, dh um ein Laborexperiment.

2016 startete das russische Quantenzentrum die erste städtische Quantenkommunikationsleitung, die auf der Verwendung „gewöhnlicher“ Glasfasern basiert. Sie verband die beiden Büros der Gazprombank, die etwa 30 Kilometer voneinander entfernt waren.

Derzeit wurden experimentelle und kommerzielle Quantennetzwerke in Moskau, Kasan und St. Petersburg geschaffen. Die Projekte werden hauptsächlich von großen russischen Banken und Rostelecom unterstützt.

Gibt es größere Projekte?

Weltweit werden mehrere große Quantennetzwerke aufgebaut. In den USA (Quantum Key Distribution, Quantum Xchange), in Europa (SECOQC und Swiss Quantum) und in Japan ist Toshiba an diesem Projekt beteiligt, aber China entwickelt das größte Projekt.



Das chinesische Quantennetz ist heute etwa zweitausend Kilometer lang und verbindet die Hauptstadt und mehrere große Finanz- und Industriezentren.



Darüber hinaus ist China einer der Pioniere auf dem Gebiet der Weltraumquantenkommunikation. Satellitenkanäle sind eine Möglichkeit, das Problem der Verteilung eines Quantenschlüssels über große und interkontinentale Entfernungen zu lösen.

2016 startete China den kleinen Mo-Tzu-Satelliten (a.k.a. QUESS - Quantenexperimente im Weltraum, „Experimente im Quantenraum“), der vom Jian-Wei Pan-Team der Universität für Wissenschaft und Technologie in Shanghai entwickelt wurde. 2017 erschienen Daten zu den Ergebnissen des Experiments mit dem Satelliten: Das Gerät stellte die Verteilung der Quantenschlüssel in einer Entfernung von über 7600 Kilometern zwischen den Observatorien in Peking und Wien sicher . Chinesische Wissenschaftler planen die Entwicklung globaler Quantenkommunikationsleitungen, bei denen der Satellit als vertrauenswürdiger Knoten fungieren wird.

Was ist mit Quantentechnologien in Russland?

Neben dem Russian Quantum Center (RCC) und seiner Tochtergesellschaft QRate arbeiten Gruppen von MSU-Mitarbeitern mit InfoTeKS OJSC und St. Petersburg ITMO (Quanttelecom Company) in der Russischen Föderation zusammen, um ein Quantenkommunikationsprojekt durchzuführen.

Die Moskauer Staatsuniversität und Infotex präsentierten ein Vorproduktionsmodell eines Quantentelefons - ein Sprachkommunikationssystem, bei dem die Sprachdatenverschlüsselung über eine Quantenschlüsselverteilung erfolgt. Nach Angaben der Entwickler beläuft sich die Gesamtinvestition in das Projekt auf etwa 700 Millionen Rubel, und die Kosten für eine Grundausstattung - einen Server und zwei Telefone - belaufen sich auf etwa 30 Millionen Rubel .

Das RCC war das weltweit erste Unternehmen, das eine quantengeschützte Blockchain entwickelte - ein Tool zum Erstellen einer verteilten Datenbank, in der es fast unmöglich ist, Datensätze zu fälschen. Quantenkryptografiemethoden trugen dazu bei, die Blockchain vor den Bedrohungen durch das Aufkommen eines Quantencomputers zu schützen. Die Schaltung wurde in städtischen Glasfasernetzen getestet .

Darüber hinaus bauten RCC und QRate ein Quantennetzwerk auf und demonstrierten auf dem St. Petersburg International Economic Forum eine Sitzung mit quantensicheren Videokonferenzen an mehreren Standorten. Die Leiter der Sberbank, der Gazprombank und der Prüfungsgesellschaft PwC Russia nahmen an der Quantenkommunikationssitzung teil.

QRate hat außerdem eine serielle Installation für die Quantenkryptografie entwickelt, die in die vorhandene Standardtelekommunikationsinfrastruktur integriert und für die Arbeit mit kryptografischen Protokollen angepasst werden kann. Die Geräte verwenden Detektoren und Quellen für einzelne Photonen, die im RCC erzeugt wurden.



In der Entwurfs- und Erstellungsphase gibt es in Skolkovo ein Quantennetzwerk. Derzeit laufen Verhandlungen über die Entwicklung eines bestehenden Quantennetzwerks mit der Sberbank und der Gazprombank.

Zukünftig plant QRate auch ein eigenes Weltraumprojekt: die Installation eines Quantensignalsenders auf einem kleinen Satelliten des Cubsat-Standards und die Verteilung von Quantenschlüsseln zwischen zwei Bodenstationen.

Gibt es Konferenzen zur Quantentechnologie?

Ja, das gibt es auch in Russland.

ICQT

Alle zwei Jahre findet in Moskau die Internationale Konferenz für Quantentechnologien (ICQT) statt. An der Veranstaltung nehmen Wissenschaftler, Top-Manager von Technologieunternehmen und Spezialisten für Informationssicherheit teil. Hier sind einige große Namen mit ICQT 2019: Eugene Polzik, Rainer Blatt, Peter Zoller, Tommaso Kalarko, Khartum Neven, Michail Lukin, Christopher Monroe. Diesmal findet die Konferenz vom 15. bis 19. Juli statt .

Der 18. Juli ist ein freier Tag der offenen Tür. Sie können Lautsprecher von Google, Airbus Blue Sky, D-Wave und Quantum Flagship hören. Jeder kann kommen, aber Sie müssen sich am Taipad anmelden.

QEC2019 Quantenfehlerkorrektur

Vom 29. Juli bis 2. August findet in London eine Konferenz zur Korrektur von Quantenfehlern statt. Es heißt "Quantenfehlerkorrektur". Quanteninformation hat eine große Anzahl ungewöhnlicher Eigenschaften, eine davon ist nur die Korrektur von Quantenfehlern.

Die Konferenz wird von einer Gruppe von Wissenschaftlern des Instituts für Physik organisiert. An der Konferenz nimmt nicht der gesamte Verband teil, sondern eine Gruppe, die sich mit Fragen der Quantentechnologie befasst - Gruppe Quantenoptik, Quanteninformation und Quantenkontrolle.

QCALL Early-Stage Researchers Conference 2019

Vom 16. bis 19. September dieses Jahres findet auch eine Konferenz über Quantentechnologien in Italien statt. Junge Wissenschaftler, die sich auf Quantentechnologie spezialisiert haben, sind eingeladen, daran teilzunehmen. Der Kern der Konferenz sind 15 Forscher aus Europa. Die Organisatoren hoffen, die Bemühungen einer großen Anzahl von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt zur Lösung der wichtigsten Probleme der modernen Quantenwissenschaft zusammenführen zu können.