Це були квантові телекомунікації
У середині серпня 2016 року китайська ракета вивела на орбіту дуже спеціальний супутник, на якому будуть проходити квантові телекомунікаційні експерименти.
Хоча супутник був побудований і запущений Китаєм, дослідження з питань квантових телекомунікацій є співпрацею між китайськими та австрійськими дослідниками: є першим супутником цього типу і якщо експерименти виявляться життєздатними, вони повністю змінять спосіб циркуляції даних між банками, між різними військовими командними центрами або навіть між нашим смартфоном та поштовим сервером.
Принципи квантової механіки, що лежать в основі теорії квантових комунікацій, гарантують, що майбутні квантові телекомунікації будуть безпечними і не будуть перехоплені (хакерами чи цікавими урядами), оскільки будь-яка така спроба знищить повідомлення. Далі ми побачимо, чому це можливо лише в контексті квантових телекомунікацій.
КВАНТОВІ КОМП'ЮТЕРИ
Суперпозиція держав Шредінгера і кат
Щоб пояснити концепцію суперпозиції станів, німецький фізик Ервін Шредінгер, один з батьків квантової механіки, на початку минулого століття уявив наступний (розумовий) експеримент.
Кішка, замкнена в сталевій коробці без вікон, з достатніми запасами води та повітря. Усередині коробки ми маємо дуже сильну отруту, укладену в скляну ампулу, але також молоток, готовий розбити ампулу, підключений до радіоактивного джерела з дуже слабкою активністю. Якщо частинка виділяється, молоток розіб’є ампулу, а отрута вб’є кота. Якщо ні, кішка в безпеці. Радіоактивне джерело використовується тут лише як генератор випадкових чисел, така собі російська рулетка, ми не знаємо, коли і якщо молот зламає флакон.
Дивлячись на всю систему ззовні, ніхто не може сказати, жива чи ні, кішка, тому що ніхто не знає, коли спрацьовує молоток, який розбиває ампулу (як я вже говорив, це випадково, може він активуватися чи ні в певний проміжок часу).
Тому систему можна охарактеризувати як функцію, що містить суперпозицію станів, в якій кішка і жива, і мертва. Відкривши вікно, ми повідомимо, в якому з двох станів знаходиться кішка, і це еквівалентно зменшенню хвильової функції до одного з двох можливих значень.
Останнім часом ми все частіше чуємо розмови про квантові комп’ютери (прочитайте інтерв’ю з румунським спеціалістом з цього питання), і статті завжди стають дуже заплутаними та важкими для читання. Не дивно, що поле зовсім не просте, як і квантова механіка, теорія, розташована десь поза нашою повсякденною інтуїцією та сприйняттям.
Наразі нам слід пам’ятати лише те, що ми маємо справу зі зміною парадигми: якщо до цього часу дані в класичному комп’ютері означають один із двох можливих станів (0 або 1), то у випадку квантового комп’ютера дані, які воно маніпулює ними, перебуваючи в суперпозиції станів, і їх маніпуляції включають квантові поняття, такі як сплетіння частинок, особливо курйозна особливість Всесвіту в квантових масштабах.
Отже, якщо в класичному випадку комп’ютери працюють з бітами (0 або 1), то квантові комп’ютери працюють з так званими кубітами, які мають не один стан, а суперпозицію станів. Звідси все швидко ускладнюється, і для пояснення роботи квантового комп’ютера потрібна окрема стаття, яка сьогодні є надзвичайно динамічною.
Але для квантових комунікацій не потрібні квантові комп’ютери, ми говоримо про дві різні речі.
КВАНТОВІ ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЇ
Ми повинні розрізняти квантові комп’ютери, які є обчислювальними машинами, що працюють за деякими правилами квантової механіки, та квантові телекомунікації, яким не потрібні квантові комп’ютери, щоб бути придатними для використання.
Якщо вони виявляться широко життєздатними, квантові телекомунікації інтегруються в існуючі системи та нададуть більш безпечну альтернативу передачі конфіденційних даних. З іншого боку, квантові комп’ютери найближчим часом призведуть до різкого збільшення обчислювальної потужності, що може швидко послабити сучасні криптографічні методи, що використовуються сьогодні.
Для того, щоб замінити вразливості поточної системи шифрування, яка широко використовується в Інтернеті, використовуючи закони квантової фізики, може бути розроблена безпомилкова система, яка не дозволяє перехоплювати передані дані. І мова не про підвищену складність розбиття ключа, який використовується для шифрування, а про фізичну неможливість розшифрувати дані, що випливають із близьких законів природи, виражених рівняннями квантової механіки.
Відкриті та приватні ключі
В даний час в Інтернеті використовується асиметрична система шифрування. Наприклад, як повідомлення, що циркулюють між користувачами WhatsApp, так і зв’язок між браузером та поштовим сервером, використовують цей тип шифрування. Для шифрування повідомлення за допомогою асиметричного шифрування використовуються два ключі, математично пов’язані між собою (тобто один алгоритм генерує обидва).
Візьмемо приклад повідомлень, якими обмінюються за допомогою програми WhatsApp: алгоритм генерує на телефоні кожного користувача цю пару ключів: приватну (секретну), яка не залишає телефон, та загальнодоступну, яка надсилається на центральний сервер, де до нього може отримати доступ будь-хто. Коли Іон хоче надіслати Марії зашифроване повідомлення, Іон вибере Марію зі свого списку контактів. Додаток WhatsApp автоматично шифрує повідомлення, написане Іоном, за допомогою відкритого ключа Марії (доступно кожному, як я вже сказав, тому програма завантажує його з сервера). Повідомлення, таким чином, залишається зашифрованим з телефону Іона і перетинатиме Інтернет у цій формі, доки Марія.
Якщо Міхай будь-яким чином перехоплює повідомлення, воно зашифроване і не може бути прочитане безпосередньо. Єдиний спосіб розшифрувати - використовувати приватний ключ Марії, який є на її телефоні. Тож повідомлення можна розшифрувати лише тоді, коли воно потрапляє до Марії (і якщо воно). Вона відповідає, і все відбувається однаково, але в зворотному напрямку. Міхай, який перехоплює зашифроване повідомлення, має два варіанти прочитати його. Або він буде використовувати комп’ютер, достатньо потужний, щоб зламати шифрування, але для цього може знадобитися кілька років. Це не дуже практично.
Другим варіантом було б заволодіння приватним ключем Марії, що знову може виявитись складним, якщо вона не має прямого доступу до телефону Марії. Але очевидно, що асиметрична система шифрування має дві уразливості: повідомлення, що передається, навіть якщо воно зашифроване, теоретично може бути зламане, якщо зловмисник має достатні ресурси (обчислювальну потужність і час) або зловмисник може отримати його в руки приватні ключі.
Але перш ніж ми побачимо, як це може статися, давайте подивимося, що означає система розподілу квантових ключів. Нині широко використовувана система шифрування використовує парну систему ключів, як загальнодоступну, так і приватну, але майбутня квантова система телекомунікацій спростить це: шифрування відбуватиметься за допомогою єдиного ключа, яким будуть користуватися користувачі.
Це безпечно? Дивно, але так, саме завдяки квантовій фізиці. Ключ генерується квантовим процесом, який генерує випадково поляризовані фотони і являє собою не що інше, як ряд способів їх поляризації. Дійсно випадковий ряд, який можна отримати лише за допомогою квантового процесу, важливий аспект для створення унікального ключа кожного разу.
Квантове заплутування
Подібно до того, як макроскопічні тіла мають різні вимірювані властивості, такі як маса, імпульс, форма або колір, квантові сутності, такі як частинки, також мають свій власний набір фізичних властивостей, які іноді мають сенс у звичному нам макроскопічному світі (маса, імпульс ), але інколи вони специфічні для квантового світу (спін, поляризація) і можуть бути апроксимовані лише з тим, що ми стикаємось у щоденному масштабі (спін - це свого роду кінетичний момент, але до певної точки).
А тепер уявіть собі квантову систему, яка виробляє дві (або більше частинок, але для простоти ми будемо використовувати лише дві частинки). Квантове заплутування - це явище, за якого отриману систему неможливо описати незалежно від складових частинок, які дещо пов'язані між собою, незалежно від відстані між ними, і які лише разом можуть описати повний стан отриманої системи.
Інший спосіб побачити квантову заплутаність полягає в тому, що, вимірюючи параметри однієї з частинок, що утворюються, ми можемо опосередковано знаходити значення параметрів іншої частинки, навіть якщо дві частинки знаходяться на сотні або тисячі кілометрів один від одного і не зв’язуються між собою.
Отримані таким чином фотони розподіляються серед користувачів (припустимо, що для спрощення пояснення існує лише два користувачі). Ось два аспекти, пов’язані з квантовим світом: теорема про неклонування та квантове заплутування. Ми не будемо вдаватися в нудні деталі, але треба сказати, що поляризовані фотони в такому рядку не можна просто скопіювати або клонувати.
Якщо це зробити, їх поляризація змінюється. Тому що спроба виміряти властивості квантової системи змінює її параметри. Про це говорить теорема про неклонування і пов’язана з принципом невизначеності, викладеним Вернером Гейзенбергом. Враховуючи те, що у нас двоє користувачів і що кожен з них отримав копію ключа, за допомогою квантового переплетення ми могли б з’ясувати, чи був модифікований один із ключів чи ні.
Якщо він був змінений, це означає, що хтось намагався його перехопити, він вважається скомпрометованим і генерується новий ключ. Ключ, яким зараз користуються обоє користувачів, які впевнені, що його не було перехоплено, можна використовувати для шифрування повідомлень. Хіба це не просто? Спосіб порівняння двох клавіш досить складний, але все ще практично здійсненний.
Зараз є деякі проблеми. Були проведені експерименти з фотонами, пов'язаними між собою явищем квантового переплутування, але було показано, що він працює лише на відстанях, менших 100 км. І не думайте, що квантові телекомунікації належать до майбутнього, перша така спроба поза лабораторіями була здійснена вже в 2004 році, коли у Відні відбувся банківський переказ у розмірі 3000 євро з використанням механізмів квантового шифрування.
В даний час існують компанії, які продають квантові телекомунікаційні системи на місцях через оптичні волокна, але вони відбуваються на порівняно невеликих відстанях. Якщо експерименти на супутнику будуть успішними, вони незабаром стануть широкодоступними та за тисячі миль від них.
Запуск супутника Mozi
Запуск китайського супутника відбувся 15 серпня 2016 року о 20:40 на стартовій площадці LC43 космічного комплексу Цзіуцюань. Супутник важить 500 кілограмів і названий на честь китайського філософа, який жив 5 століть до нашої ери, Мозі (також відомого як Мо Ді або латинізується як Міцій), але іноді преса Західної півкулі називає супутник Квантовим космічним супутником або QSS.
Ракета, що використовувалася для цього запуску, Changzheng 2D, має два етапи, і з першого польоту в 1992 році було 29 запусків, і все успішно. Ця модель часто використовується для розміщення зарядів на геліосинхронній орбіті. Він може піднятися на 3,5 тонни на низькій орбіті Землі, тоді як геліосинхронна орбіта може нести максимум 1,3 тонни. Перевага геліосинхронної орбіти полягає в тому, що супутник щодня проходить над фіксованою точкою на поверхні Землі точно в один і той же час, що іноді має важливе значення при метеорологічному спостереженні або шпигунських місіях.
Ракета отримана з Чанчжен 4, перша ступінь (майже 28 метрів) є практично ідентичною їй і працює від двигуна YF-21C, який спалює гідразин та тетраоксид азоту. На другому щаблі довжиною 10,9 метра використовується двигун YF-24C і має діаметр 3,35 метра. Через токсичне паливо Китай замінить все сімейство двигунів на Changzheng 5, 6 і 7, розроблені для підвищення ефективності та використання менш токсичного палива.
Супутник Mozi був розроблений і запущений Китайською академією наук (CAS). Донедавна в Китаї лише військові та Міністерство промисловості, інформації та технологій мали доступ до ракет і мали дозвіл на запуск супутників, але останнім часом політика була послабленою, щоб забезпечити вченим більш прямий доступ до космосу. Таким чином, Mozi є другим супутником, запущеним CAS після досліджувача темних речовин (DAMPE), запущеного в грудні 2015 року, для вивчення темної матерії.
Китайський супутник Мозі випробовує, чи можна використовувати цю властивість на десять разів більших відстаней. Якщо це вдасться, найближчим часом деякі такі супутники зможуть сформувати мережу, яка зробить такі квантові ключі доступними для зацікавлених користувачів. Це буде непросто, оскільки сигнал буде зустрічати серію атмосферної турбулентності або фонового шуму на своєму шляху між супутником і наземними приймальними станціями, оскільки дослідження сподіваються, що зможуть використовувати супутник як реле розподілу квантових ключів між Відень та Пекін.
Квантовий ключ, сформований на борту супутника, буде переданий наземним станціям у Відні та Пекіні, які зможуть використовувати його для шифрування повідомлень, які вони згодом можуть передавати за класичними каналами (Інтернет). Ключ не можна перехопити, не знищивши, коли він передається супутником, тому шифрування є безпечним, а зашифроване повідомлення може циркулювати публічно, не боячись дешифрування.
На цьому експерименти, проведені на борту супутника, не зупиняються. Мозі - перший супутник, здатний телепортувати фотони. Так, квантова телепортація на рекордну відстань у 1000 кілометрів. І це трапляється, випадково, навіть у той рік, коли Зоряний шлях святкує півстоліття з моменту виходу першого епізоду.
МАЙБУТНЄ ЗАШИФРОВАНИХ КОМУНІКАЦІЙ?
Я переконаний, що найближчими роками ми станемо свідками революції в шифруванні даних. Зі збільшенням доступних обчислювальних потужностей це буде необхідністю, щоб зберегти конфіденційність величезного обсягу даних, що щодня циркулюють в Інтернеті. США, Європа та Китай інвестують величезні ресурси в квантові комунікації, і першими бенефіціарами, швидше за все, будуть військові та фінанси, а згодом вони будуть доступні широким масам користувачів.