Co to jest kryptografia kwantowa?

Kryptografia kwantowa odnosi się do systemów kryptograficznych, które polegają na efektach i właściwościach mechaniki kwantowej w celu wykonywania zadań kryptograficznych. Kontrastuje to z klasyczną kryptografią używaną na nowoczesnych komputerach. Podstawowym wymaganiem kryptografii kwantowej jest użycie komputera kwantowego; nie można tego wykonać przy użyciu standardowego komputera.

QKD

Główną dziedziną kryptografii kwantowej jest QKD. QKD oznacza dystrybucję klucza kwantowego. Zamiast w pełni kwantowego procesu szyfrowania, QKD wykorzystuje efekty kwantowe do bezpiecznej dystrybucji klasycznego klucza szyfrowania. Oznacza to, że należy opracować tylko sprawdzony bezpieczny system komunikacji kwantowej, a nie znacznie bardziej złożone algorytmy kwantowe. Zmniejsza również wymagania fizyczne; technicznie rzecz biorąc, na normalnym komputerze wymagana byłaby tylko kwantowa karta sieciowa, a nie cały komputer kwantowy.

Mechanika kwantowa rozsądnie nadaje się do opracowywania bezpiecznych systemów komunikacji kwantowej. Istnieją sposoby komunikowania się z kwantowymi kanałami komunikacyjnymi, których nieupoważniona strona trzecia nie może monitorować bez wykrycia włamania.

Bezpieczeństwo kanału komunikacji kwantowej można również zredukować do kilku bardzo minimalnych wymagań. Jednym z takich warunków jest, aby dwie legalne strony miały jakiś sposób na wzajemne uwierzytelnienie. Kolejnym wymaganiem jest po prostu zastosowanie praw mechaniki kwantowej.

Główny problem QKD wynika z trudności w przesyłaniu informacji kwantowych na znaczne odległości. Obecne badania pozwalają na uzyskanie odpowiednich współczynników zgodności klucza na światłowodach o długości do 550 km. Powyżej tej odległości potrzebne są wzmacniacze kwantowe, aby zapewnić, że sygnał nie zostanie utracony w szumie. Ponadto kierowanie komunikacji kwantowej przez kwantowy Internet byłoby wyzwaniem. Obecne systemy testowe są zwykle punkt-punkt.

Inne dziedziny badań

Efekty kwantowe można wykorzystać w dziedzinie nieufnych komputerów kwantowych. Tutaj dwie strony mogą współpracować bez wzajemnego zaufania. System kwantowy można zaprojektować tak, aby obie strony mogły udowodnić, że druga strona oszukiwała. Metody te opierają się jednak również na efektach niekwantowych, takich jak szczególna teoria względności.

Trwają badania w innych dziedzinach, takich jak wymaganie, aby odbiorca znajdował się w określonej fizycznej lokalizacji, nawet jeśli dwóch przeciwników jest w zmowie. Inne programy próbują zmusić nawet aktywnie nieuczciwych odbiorców do bycia uczciwymi, wprowadzając przytłaczające wymagania systemowe umożliwiające oszukiwanie. Wiele tego typu prac wykazało słabości w obecnych implementacjach kwantowych, ale pozostawiło otwarte drzwi dla przyszłych badań w bardzo młodej dziedzinie.

Komunikacja kwantowa wymaga kilku rzeczy, aby była naprawdę bezpieczna. Po pierwsze, transmisje optyczne muszą być zdolne do wysyłania pojedynczych fotonów. Obecne systemy zwykle wykorzystują lasery, które wysyłają wiele fotonów. Teoretycznie przeciwnik mógłby przechwycić jeden z wielu fotonów bez pozostawienia śladu. Istnieją jednak obiecujące badania nad rozwojem źródeł pojedynczych fotonów.

Po drugie, detektory fotonów cierpią z powodu różnic produkcyjnych opartych na tolerancji, które otwierają okno dla podsłuchującego, który może wprowadzić się do strumienia komunikacyjnego bez wykrycia. Tego problemu nie da się w pełni rozwiązać bez nieskończenie wąskich tolerancji, co jest niewykonalnym wymogiem.

Wniosek

Kryptografia kwantowa odnosi się do kryptografii wykorzystującej efekty mechaniki kwantowej. Obecnie podstawową dziedziną jest Quantum Key Distribution, która wykorzystuje metody komunikacji kwantowej do przesyłania klasycznych kluczy szyfrujących. Kryptografii kwantowej nie należy mylić z kryptografią postkwantową.