Квантовая криптография, почти реальность

Леонид Черняк
07.08.2003
Открытые системы, #07-08/2003

Один из самых авторитетных технологических журналов, MIT Enterprise Technology Review в феврале опубликовал список десяти наиболее быстро развивающихся технологий, способных изменить мир. Квантовая криптография — одна из них.

Одни футурологи считают, что наступивший век станет веком оптики, другие говорят о господстве квантовой физики. Квантовая криптография лежит на перекрестке этих дисциплин. Не исключено, что именно квантовая криптография может стать первым практическим результатом технологий XXI века.

В большинстве своем все статьи про квантовую криптографию начинаются со сравнения этой схемы с двумя классическими и хорошо известными схемами — с симметричным и асимметричным распределением ключей. Затем следует представление физических принципов квантовой криптографии. Парадоксально, но несмотря на всю серьезность предмета основные идеи, лежащие в основе квантовой криптографии, настолько просты, что популярное введение было напечатано в журнале для школьников [1]. Существует более продвинутое популярное введение [2], а также огромное количество статей, где излагаются физические принципы и история вопроса.

В надежде на то, что физики не читают «Открытые системы», ограничимся сообщением, что в основе квантовой криптографии лежит телепортация фотонов, в процессе которой фотон пересылается от передатчика приемнику. При этом обнаруживается замечательная для криптографии особенность данного способа передачи, которая заключается в том, что «подслушивание» теоретически невозможно. В основе этого утверждения лежит принцип неопределенности Гейзенберга, который постулирует, что любое поползновение внедриться в канал передачи — т.е. произвести измерение в квантовой системе — неизбежно приведет к ее нарушению и будет зафиксировано принимающей стороной. В результате образуется абсолютно защищенный канал, но у этого канала есть один теоретически непреодолимый недостаток: он не в состоянии обеспечить высокую пропускную способность, а поэтому может быть использован только для обмена ключами. Это ограничение являлось настолько значительным, что об использовании квантовой криптографии до сих пор говорили только в будущем времени. Однако ситуация стремительно меняется.

Фотография Женевского озера, сделанная со спутника

Для распространения квантовой криптографии есть не только теоретические предпосылки, но и вполне реальная практическая потребность. Защищенность передачи данных зависит от возможности сохранить ключ в секрете от противника. Если говорить о синхронной схеме, то ее уязвимость в существенной мере зависит, например, от успешности деятельности разведки. Яркий пример тому — использование криптомашины Enigma немецкими военными во время Второй мировой войны. Как только английские спецслужбы добывали ключи, то, какой бы ухищренной ни была схема шифрования, она раскрывалась в считанные дни и при том весьма незамысловатыми по сегодняшним меркам средствами. Сохранность криптосистемы с публичными ключами, являющейся основой передачи данных в Internet, возможна только до тех пор, пока нет достаточной вычислительной мощности для ее раскрытия. Безопасность схемы, предложенной RSA, гарантируется факторизацией больших целых чисел. В предвидении неизбежного конца этой схемы информационному обществу требуется альтернативное решение. Пока ничего иного помимо квантовой криптографии не предложено. Ведущий специалист RSA Laboratories Бурт Калиски сказал по этому поводу: «Квантовое распределение ключей является основным сдвигом парадигмы в развитии криптографии. Способность обнаруживать прослушивание линии связи с абсолютной уверенностью в обнаружении вызывает восхищение. Сочетание квантовой и классической криптографии способно обеспечить реальную защищенность коммуникаций» [3]. Подобное признание дорогого стоит.

Квантовая криптография еще не вышла на уровень практического использования, но приблизилась к нему. В мире существует несколько организаций, где ведутся активные исследования в области квантовой криптографии. Среди них IBM, GAP-Optique, Mitsubishi, Toshiba, Национальная лаборатория в Лос-Аламосе, Калифорнийский технологический институт (Caltech), а также молодая компания MagiQ и холдинг QinetiQ, поддерживаемый британским министерством обороны. Диапазон участников — от крупнейших мировых вендоров до небольших начинающих компаний — свидетельствует о начальном периоде в формировании рыночного сегмента, когда в нем на равных могут участвовать и те, и другие.

В IBM продолжаются фундаментальные исследования в области квантовых вычислений [6], начатые группой во главе с Чарльзом Беннеттом, который в 1984 году вместе с Жилем Броссардом предложил простую схему защищенного квантового распределения ключей. Схема получила известность под названием «протокол BB84». О практических достижениях IBM в квантовой криптографии в последние годы известно немногое; эти работы ведутся без излишней рекламы.

Особое место занимает созданная на основе Женевского университета компания GAP (Group of Applied Phisics) Optique. Компания с европейскими академическими корнями сохраняет традиции научных публикаций; для тех, кто серьезно заинтересуется квантовой криптографией, несомненно, будут интересны две статьи авторов из GAP [4, 5]. О том, что квантовая криптография выходит из лабораторного состояния можно судить хотя бы потому, что в 2003 году о ней пишет и бизнес-пресса (в частности, New York Times), и популярные издания (в том числе, National Geographic). Под руководством Николаса Гисина GAP-Optique совмещает теоретические исследования с практической деятельностью. Компании впервые удалось передать ключ на расстояние 67 километров из Женевы в Лозанну, воспользовавшись почти промышленным образцом аппаратуры [7].

Этот рекорд был побит компанией Mitsubishi Electric, которой удалось передать квантовый ключ на расстояние 87 километров; скорости еще очень невелики, всего 7,2 бит в секунду.

Исследования в области квантовой криптографии ведутся и в европейском исследовательском центре Toshiba Research Europe, расположенном в Кембридже. Отчасти они спонсируются английским правительством; в них участвуют сотрудники Кембриджского университета и Империал-колледжа в Лондоне. Сейчас им удается передавать фотоны на расстояние до 100 километров; есть надежда, что через три года будут выпущены коммерческие продукты.

Компания MagiQ Technologies была основана в 1999 году на средства пула крупных финансовых институтов. Помимо собственных сотрудников с ней сотрудничают научные работники из целого ряда университетов США, Канады, Великобритании и Германии. До последнего времени вела скрытное существование и заявила о себе после того, как сочла себя готовой к объявлению готовящегося коммерческого продукта, но и после него ясного представления о нем пока нет. В качестве кодового имени для средства для распределения ключей (quantum key distribution, QKD) избрано имя племени индейцев навахо. Известно, что во время Второй мировой войны язык навахо использовался для передачи особо секретных сообщений: лиц, знавших его за пределами Соединенных Штатов попросту не было. Navajo способен в реальном времени генерировать и распространять ключи средствами квантовых технологий, он должен обеспечивать защиту от внутренних и внешних злоумышленников. По сообщениям, Navajo находится в состоянии бета-тестирования и станет коммерчески доступным в конце года. Вице-президентом MagiQ является Алексей Трифонов, наш соотечественник, защитивший докторскую диссертацию Санкт-Петербургском университете в 2000 году.

QinetiQ — своего рода исследовательская корпорация, поддерживаемая министерством обороны Великобритании. Она появилась на свет в результате деления британского агентства DERA (Defence Evaluation and Research Agency) в 2001 году, вобрав в себя все неядерные оборонные исследования. В силу этой специфики в QinetiQ не особенно расположены делиться своими достижениями.

Литература

1. А. Корольков, Квантовая криптография, или как свет формирует ключи шифрования. Компьютер в школе, № 7, 1999.
2. В. Красавин, Квантовая криптография, www.submarine.ru.
3. MagiQ Technologies offers different kind of Grid Security. Grid Today, vol. 1, no. 23, November 2002.
4. I. Marcikic, H. de Riedmatten, W. Tittel, H. Zbinden, N. Gisin, Long-distance teleportation of qubits at telecommunication wavelengths. http://www.gap-optique.unige.ch/I&Hnature.pdf
5. Nicolas Gisin, Gregoire Ribordy, Wolfgang Tittel, Hugo Zbinden, Quantum cryptography. http://www.gap-optique.unige.ch/Publications/Pdf/QC.pdf
6. Brad Huntting, David Mertz, Introduction to Quantum Computing. A guide to solving intractable problems simply. http://www-106.ibm.com/developerworks/linux/library/l-quant.html
7. D Stucki, N Gisin, O Guinnard, G Ribordy, H Zbinden, Quantum key distribution over 67 km with a plug&play system. http://www.gapoptic.unige.ch/Publications/Pdf/njp-2002.pdf

---

Квантовая телепортация

Слово телепортация пришло из фантастических романов. Их авторы предполагали создание некоей машины, которая могла бы переносить тело и душу человека на расстояние с сохранением или разрушением оригинала, в зависимости от их желаний.

В 1993 группа под руководством Чарльза Бенетта, работавшая в IBM и состоявшая из шести специалистов из разных стран, подтвердила возможность телепортации, но только при условии разрушения оригинала. До этого телепортация считалась теоретически невозможной из-за известного принципа неопределенности, являющегося одним из постулатов квантовой механики. Согласно нему, чем точнее мы сканируем или измеряем объект, тем больше мы его разрушаем. В процессе измерения возникает такой момент, когда они еще не закончены, но объект настолько разрушен, что уже не представляется возможным создать его точную реплику. Рассуждения коллектива Бенетта основывались на эффекте Эйнштейна-Подольского-Розена. Ученые обнаружили, что, если сканировать часть информации с предполагаемого для телепортации объекта, то оставшуюся не сканированную часть можно предать получателю, основываюсь на этом эффекте. В таком случае на приемной стороне можно воссоздать объект полностью.