Sejarah kriptografi kuantum tidak dimulai dengan teknologi komunikasi, tetapi dengan upaya untuk memecahkan masalah yang sama sekali berbeda - untuk menghasilkan uang yang tidak dapat dipalsukan.
Pada tahun 1983, Stephen Wiesner dari Universitas Columbia
mengusulkan untuk membuat uang kertas kuantum buatan negara yang tidak dapat disalin bahkan jika seseorang ingin melakukan ini memiliki peralatan pencetakan dan kertas yang digunakan untuk memproduksi aslinya. Kemungkinan membuat salinan yang tepat dari dokumen asli yang dilindungi oleh teknologi kuantum cenderung nol.
Bagaimana semuanya dimulai?
Inti dari teknologi ini adalah bahwa pada setiap uang kertas ada jebakan dengan foton, yang masing-masing terpolarisasi dengan cara tertentu sesuai dengan dua basis yang berbeda. Satu dasar yang disediakan untuk polarisasi "bentuk silang": yaitu, foton dapat dipolarisasi pada sudut 0 atau 90 derajat dari vertikal tertentu, dan yang kedua - diagonal, yaitu, dengan sudut 45 dan 135 derajat.
Untuk menyalin uang kertas, pemalsu harus mengukur polarisasi foton, tetapi ia tidak tahu berdasarkan apa masing-masing dari mereka terpolarisasi (Bank Sentral menyimpan informasi ini, serta parameter polarisasi, secara diam-diam, dan hanya dia yang tahu polarisasi yang sesuai dengan nomor uang kertas). Seorang penjahat dapat memilih pangkalan secara acak, dan kemudian dia memiliki beberapa peluang untuk berhasil, meskipun sangat kecil. Tetapi mereka menjadi tidak penting jika Anda membuat perangkap fotonik. Yaitu, untuk meningkatkan jumlah foton pada setiap uang kertas (probabilitas tebakan berkurang sebagai fungsi daya terbalik dari jumlah foton). Jika setiap uang kertas dilengkapi dengan selusin perangkap, kemungkinan palsu yang sukses turun menjadi hampir nol.
Itu adalah ide yang bagus, tetapi, sayangnya, secara teknis tidak layak: perangkap massal yang nyaman dan terjangkau untuk foton, cocok untuk penempatan uang, belum dibuat.
Apa itu komunikasi kuantum dan kapan sistem kerjanya muncul?
Wiesner juga menyarankan bahwa mekanisme serupa dapat digunakan untuk membuat saluran komunikasi rahasia. Setahun setelah publikasi artikelnya, para ilmuwan Gilles Brassard dan Charles Bennet mengembangkan protokol pertama untuk komunikasi kuantum, yang mereka namai dengan huruf pertama dari nama mereka dan tahun teknologi itu dibuat - BB84. Protokol ini banyak digunakan dalam jaringan komunikasi kuantum modern.
Bennett dan Brassard mengusulkan untuk menyandikan data dalam keadaan kuantum foton tunggal, misalnya, dalam polarisasi mereka. Seperti dalam kasus dengan objek kuantum lainnya, fakta pengukuran itu sendiri tentu mempengaruhi keadaan objek, oleh karena itu, jika orang lain mencoba untuk "menguping" pada transfer foton - yaitu, untuk mengukur keadaan foton yang kita tukar, kita akan melihat ini karena mereka akan berubah keadaan foton. Oleh karena itu, secara teori, mustahil untuk terhubung secara mulus ke saluran transmisi data kuantum secara prinsip - hukum dasar mekanika kuantum tidak memungkinkan (dalam praktiknya, teknologi ini juga memiliki beberapa kerentanan, tetapi lebih dari itu di bawah).
Protokol BB84 berfungsi sebagai berikut. Salah satu lawan bicara (secara tradisional disebut Alice) mengirimkan yang lain (Bob) foton terpolarisasi dalam satu dari dua, non-ortogonal satu sama lain, basis: persegi panjang atau diagonal. Bob menerimanya dan mengukur polarisasi, memilih dasar pengukuran secara acak, dan menulis hasil dan basis pengukuran. Kemudian dia dan Alice bertukar informasi tentang pangkalan yang digunakan (tetapi tidak tentang hasil pengukuran) melalui saluran terbuka, dan data yang diperoleh dengan pangkalan yang tidak cocok diatur ulang. Hanya nilai yang diukur dalam basis pencocokan tetap (dalam teknologi distribusi kunci kuantum ini disebut "pengayakan kunci").
Wolfgang Tittel, Grégoire Ribordy dan Nicolas Gisin, Kriptografi Quantum, Dunia Fisika, Volume 11, Nomor 3 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2058—7058/11/3/30Kemungkinan "mata-mata" yang menguping transmisi data pada jalur komunikasi ini (biasanya disebut Hawa) dapat mencegat satu foton, mengukur polarisasi dan mencoba meneruskan salinan foton ke Bob.
Tetapi, sesuai dengan teorema tentang ketidakmungkinan mengkloning keadaan kuantum arbitrer, ini akan mengarah pada peningkatan jumlah kesalahan dalam kunci kuantum terdistribusi. Akibatnya, baik Alice maupun Bob akan mengerti bahwa orang luar mendengarkan saluran mereka. Untuk menentukan tingkat kesalahan pada kunci setelah prosedur distribusi kuantum, Alice dan Bob membandingkan sebagian kecil kunci pada saluran yang terbuka. Diyakini bahwa jika tingkat kesalahan kunci kurang dari 11 persen, maka keamanan jalur komunikasi dapat dijamin.
Bennett dan Brassard melakukan percobaan pertama pada pengiriman informasi pada saluran kuantum pada akhir Oktober 1989. Mereka tidak beruntung - ide mereka tidak ditanggapi dengan serius, sehingga para ilmuwan memutuskan untuk membuat prototipe pengaturan eksperimental sendiri dan dengan biaya mereka sendiri. Terapkan bantuan instalasi teman. Instalasi pertama untuk komunikasi kuantum yang benar-benar aman, mentransmisikan data pada jarak 32,5 sentimeter. Brassard
ingat bahwa sistem mereka memberikan perlindungan data hanya dari orang yang benar-benar tuli: catu daya sangat bising, dan suara itu berbeda tergantung pada polarisasi apa dari foton yang disediakan oleh instalasi saat ini.
Terlepas dari semua kekurangannya, instalasi tetap bekerja. Sebenarnya, sejak saat ini sejarah komunikasi kuantum dan jaringan kuantum dimulai, yang saat ini membentang ribuan kilometer dan pergi ke luar angkasa.
Mengapa semua ini perlu?
Tanpa enkripsi, hampir tidak ada data yang dikirim hari ini. Metode enkripsi paling populer yang digunakan sekarang didasarkan pada satu asumsi: tugas mendekripsi pesan sangat rumit sehingga kekuatan komputasi penyerang tidak cukup untuk menyelesaikannya. Dengan kata lain, biaya (baik dalam uang maupun waktu) dekripsi akan menjadi lebih tinggi secara proporsional daripada nilai informasi yang diperoleh. Ini berlaku untuk enkripsi simetris (AES, DES,
Russian GOST 28147-89 ) dan asimetris (misalnya, RSA).
Apakah komunikasi kuantum begitu aman?
Saat ini, sepenuhnya aman, tetapi situasinya dapat segera berubah karena munculnya komputer kuantum.
Faktanya adalah bahwa dalam sistem enkripsi kunci publik, yang disebut fungsi satu arah digunakan, di mana, dengan argumen yang diketahui, menemukan nilai fungsi cukup sederhana, tetapi operasi sebaliknya sangat rumit. Sebagai contoh, mengalikan angka yang bahkan sangat besar adalah tugas sederhana untuk komputer, tetapi pembalikan - faktorisasi (faktorisasi) - membutuhkan waktu komputasi yang lebih banyak daripada menyelesaikan masalah aslinya, dan kompleksitas tugas ini tumbuh dengan cepat dengan meningkatnya jumlah.
Penggunaan asimetri multiplikasi dan faktorisasi didasarkan, misalnya, pada algoritma enkripsi RSA yang tersebar luas, dan banyak sistem enkripsi lainnya, yang disebut "asimetris". Keuntungan utama mereka adalah bahwa untuk penggunaannya tidak perlu mentransfer kunci enkripsi melalui saluran aman khusus (misalnya, flash drive dengan kurir tepercaya), seperti halnya dengan algoritma simetris, di mana kunci rahasia yang sama digunakan untuk enkripsi dan dekripsi.
Dalam teknologi asimetris, dua kunci digunakan - publik dan pribadi, yang pertama dapat dikirim melalui jaringan, dan itu hanya dapat digunakan untuk mengenkripsi pesan, dan dekripsi memerlukan kunci pribadi yang disimpan oleh pengguna. Kunci privat dan publik saling terkait oleh fungsi asimetris, dan diyakini bahwa secara praktis tidak mungkin mengembalikan kunci privat dari kunci publik menggunakan teknologi modern (ini mungkin membutuhkan milyaran tahun).
Tetapi sekarang, di masa depan, situasinya dapat berubah jika komputer kuantum muncul. Kembali pada pertengahan 1990-an, ahli matematika Peter Shore mengembangkan algoritma kuantum yang mendapatkan namanya. Algoritma ini memungkinkan faktorisasi hampir secepat multiplikasi. Perangkat kuantum di mana algoritma Shore dapat dijalankan sudah ada, tetapi sejauh ini mereka telah berhasil memfaktorkan hanya angka 15 dan 21. Dengan munculnya mesin kuantum yang lebih maju, semua cryptosystems yang didasarkan pada asimetri ini akan menjadi tidak berguna.
Beberapa ilmuwan menyebut komputer kuantum "bom atom informasi", yang harus menghapus sebagian besar informasi dan layanan perbankan yang kita gunakan sekarang: sekitar 50% lalu lintas Internet dari layanan ini dikodekan dengan algoritma kunci publik. Selain itu, fakta bahwa komputer kuantum belum dibuat sekarang tidak berarti bahwa data yang Anda tukar sekarang aman - mungkin itu akan didekripsi di masa depan. Misalnya, badan intelijen AS NSA di pusat datanya di Utah menyimpan setidaknya beberapa
exabytes data yang tidak dienkripsi . Begitu metode dekripsi baru muncul, mereka dapat didekripsi.
Tetapi fisika kuantum juga memberi kita perlindungan terhadap kemampuan komputasi komputer kuantum dan klasik masa depan serta algoritma komputasi - distribusi kunci kuantum.
Apakah ini hanya teori atau ada kasus nyata?
Singkatnya, sudah lama bukan hanya teori. Pasar teknologi kuantum masih kecil, perusahaan pertama yang menetapkan tujuan menghasilkan uang dengan kriptografi kuantum - ID Quantique - muncul sepuluh tahun setelah percobaan pertama kelompok Bennett pada tahun 2001. Itu didirikan oleh imigran dari University of Geneva, di antaranya adalah fisikawan yang luar biasa Nicolas Gisin. Tetapi orang pertama yang menempatkan teknologi pada pijakan komersial adalah American Magiq Technologies Inc. Pada November 2003, ia
mengumumkan bahwa ia siap menawarkan kepada pelanggan potensial sistem distribusi kunci kuantum yang dapat beroperasi pada jarak 120 kilometer.
Beberapa bulan setelah ini, ID Quantique meluncurkan sistemnya di pasar, dan segera menjadi salah satu pemimpin pasar. Menggunakan teknologi kuantum, ia
mengatur perlindungan data selama pemilihan regional di Jenewa pada 2007, dan pada Februari 2018
mencetak rekor untuk kisaran transmisi data kuantum melalui kabel serat optik - 421 kilometer.
Rentang dan kecepatan data masih tetap menjadi masalah utama komunikasi kuantum. Faktanya adalah bahwa data yang dikirim dikodekan dalam keadaan foton tunggal, pada tahap ini jalur komunikasi kuantum sangat rentan terhadap gangguan dan kebisingan, oleh karena itu, dalam praktiknya, transmisi kunci kuantum dalam jaringan transmisi dilakukan pada jarak hingga 100 km. Pada jarak yang lebih jauh, kecepatan pembuatan kunci menjadi terlalu rendah.
Phys Rev. Lett. 121, 190502 (2018) Mengamankan distribusi kunci kuantum sepanjang 421 km serat optikDalam kebanyakan kasus, komunikasi kuantum digunakan dalam penyelesaian yang sama. Untuk jarak yang lebih jauh, jaringan kuantum dibangun dari banyak fragmen terpisah yang dihubungkan oleh node yang dilindungi secara khusus.
Saat ini, tiga perusahaan mendominasi pasar global untuk sistem komunikasi kuantum komersial: Qasky dan QuantumCTek Cina, serta Kuantitas ID Swiss. Mereka memasok hampir seluruh spektrum solusi dan komponen: dari sumber dan detektor foton tunggal, generator bilangan acak kuantum ke perangkat terintegrasi:
- ID Quantique menawarkan dua jenis sistem: berdasarkan pada sirkuit dua arah (Plug and Play) dan single-pass yang koheren (koheren satu arah - SAP). Perangkat ini dirancang untuk bekerja di jaringan serat optik perkotaan dan memungkinkan transmisi kunci kuantum pada jarak hingga 70 kilometer.
- Qasky memproduksi sistem untuk lembaga pemerintah, tidak ada produk di pasar.
- QuantumCTek pada tahun 2018 menunjukkan perangkat untuk jaringan perkotaan: sistem pembangkit kunci, sakelar yang kompatibel, perangkat untuk telepon yang aman.
Teknologi perlindungan komunikasi kuantum secara aktif digunakan oleh bank-bank besar dan organisasi keuangan, lembaga pemerintah, serta pusat data. Pasar kriptografi kuantum global pada tahun 2018
diperkirakan mencapai $ 343 juta , dan pada tahun 2021 diperkirakan akan berlipat ganda
menjadi $ 506 juta . Di Rusia, upaya pertama untuk mentransfer kunci kuantum ke laboratorium terjadi pada awal 2000-an di Institute of Semiconductor Physics SB RAS. Pada tahun 2014, sebuah prototipe dari sistem komunikasi kuantum yang berfungsi dipresentasikan di ITMO University of St. Petersburg - maka itu adalah pertanyaan untuk mentransfer data antara dua gedung sebuah universitas pada jarak 1 kilometer, yang sebenarnya, tentang percobaan laboratorium.
Pada 2016, Pusat Kuantum Rusia meluncurkan jalur komunikasi kuantum perkotaan pertama, berdasarkan penggunaan serat optik "biasa". Dia menghubungkan dua kantor Gazprombank, yang berjarak sekitar 30 kilometer dari satu sama lain.
Saat ini, jaringan kuantum eksperimental dan komersial telah dibuat dan sedang dibuat di Moskow, Kazan dan St. Petersburg. Proyek terutama didukung oleh bank-bank besar Rusia dan Rostelecom.
Apakah ada proyek yang lebih besar?
Beberapa jaringan kuantum besar sedang dibangun di dunia. Di AS (Quantum Key Distribution, Quantum Xchange), di Eropa (SECOQC dan Swiss Quantum), di Jepang, Toshiba terlibat dalam proyek ini, tetapi Cina sedang mengembangkan proyek terbesar.
Jaringan kuantum Tiongkok saat ini panjangnya sekitar 2 ribu kilometer dan menghubungkan ibukota dan beberapa pusat keuangan dan industri besar.
Selain itu, Cina adalah salah satu pelopor dalam bidang komunikasi kuantum ruang. Saluran satelit adalah salah satu cara untuk memecahkan masalah pendistribusian kunci kuantum pada jarak jauh dan antarbenua.
Pada tahun 2016, Tiongkok
meluncurkan satelit kecil Mo-Tzu (a.k.a. QUESS - Eksperimen Kuantum pada Skala Luar Angkasa, "Eksperimen skala Space Quantum"), dikembangkan oleh tim Jian-Wei Pan dari Universitas Sains dan Teknologi di Shanghai. Pada 2017, data muncul pada hasil percobaan dengan satelit: perangkat
memastikan distribusi kunci kuantum pada jarak lebih dari 7600 kilometer antara observatorium di Beijing dan Wina. Ilmuwan Cina berencana untuk mengembangkan jalur komunikasi kuantum global, di mana satelit akan bertindak sebagai simpul tepercaya.
Bagaimana dengan teknologi kuantum di Rusia?
Selain Pusat Kuantum Rusia (RCC) dan anak perusahaannya QRate, kelompok karyawan MSU bekerja sama dengan InfoTeKS OJSC dan St. Petersburg ITMO (perusahaan Quanttelecom) di Federasi Rusia untuk mengimplementasikan proyek komunikasi kuantum.
Moscow State University dan Infotex menyajikan model pra-produksi telepon kuantum - sistem komunikasi suara di mana enkripsi data suara disediakan melalui distribusi kunci kuantum. Menurut pengembang, total investasi dalam proyek ini akan menjadi sekitar
700 juta rubel, dan biaya satu set peralatan dasar - server dan dua telepon - akan menjadi sekitar 30 juta rubel .
RCC adalah yang pertama di dunia yang mengembangkan blockchain yang dilindungi kuantum - alat untuk membuat database terdistribusi di mana hampir tidak mungkin untuk membuat catatan palsu. Metode kriptografi kuantum membantu melindungi blockchain dari ancaman yang ditimbulkan oleh munculnya komputer kuantum. Sirkuit ini
diuji pada jaringan serat perkotaan.
Selain itu, RCC dan QRate membangun jaringan kuantum dan mendemonstrasikan sesi multi-situs konferensi video yang aman kuantum di Forum Ekonomi Internasional St. Petersburg. Kepala Sberbank, Gazprombank dan perusahaan audit PwC Rusia mengambil bagian dalam sesi komunikasi kuantum.
QRate juga telah mengembangkan instalasi serial untuk kriptografi kuantum, yang dapat diintegrasikan ke dalam infrastruktur telekomunikasi standar yang ada dan diadaptasi untuk bekerja dengan protokol kriptografi. Perangkat menggunakan detektor dan sumber foton tunggal yang dibuat di RCC.
Pada tahap desain dan pembuatan, ada jaringan kuantum di Skolkovo, negosiasi sedang berlangsung tentang pengembangan jaringan kuantum yang ada dengan Sberbank dan Gazprombank.
Di masa depan, QRate juga merencanakan proyek ruang angkasa sendiri: untuk memasang pemancar sinyal kuantum pada satelit kecil standar Cubsat, dan untuk mendistribusikan kunci kuantum antara dua stasiun bumi.
Apakah ada konferensi tentang teknologi kuantum?
Ya, ada, termasuk di Rusia.
ICQTSetiap dua tahun, Konferensi Internasional tentang Teknologi Quantum, ICQT, berlangsung di Moskow. Acara ini dihadiri oleh para ilmuwan, manajer puncak perusahaan teknologi dan spesialis keamanan informasi. Berikut adalah beberapa nama besar dengan ICQT 2019: Eugene Polzik, Rainer Blatt, Peter Zoller, Tommaso Kalarko, Khartoum Neven, Mikhail Lukin, Christopher Monroe. Kali ini konferensi
berlangsung dari 15-19 Juli .
18 Juli akan menjadi hari terbuka gratis. Anda dapat mendengarkan pengeras suara dari Google, Airbus Blue Sky, D-Wave dan Quantum Flagship. Siapa pun bisa datang, tetapi Anda harus mendaftar di Taipad.
QEC2019 Koreksi kesalahan kuantumDari 29 Juli hingga 2 Agustus, konferensi akan diadakan di London yang didedikasikan untuk koreksi kesalahan kuantum. Ini disebut "koreksi kesalahan kuantum". Informasi kuantum memiliki sejumlah besar sifat yang tidak biasa, salah satunya hanyalah koreksi kesalahan kuantum.
Konferensi ini diselenggarakan oleh sekelompok ilmuwan dari Institut Fisika. Konferensi ini tidak dihadiri oleh seluruh asosiasi, tetapi oleh sebuah kelompok yang berurusan dengan masalah teknologi kuantum - Optik Quantum, Informasi Quantum dan kelompok Kontrol Quantum.
Konferensi Peneliti Tahap Awal QCALL 201916 19 . , . — 15 . .