Los Alamos National Labs: квантовый ключ для безопасности
В национальной лаборатории в Лос-Аламосе (Los Alamos National Labs, США) уже более двух лет работает квантовая сеть передачи криптографических ключей. Информацию, которая по ней передается, невозможно ни подслушать, ни перехватить.
Что же представляет собой квантовая сеть? Прежде всего напомним, что фотон света может вести себя и как частица, и как волна – это зависит от наблюдателя. Световую волну можно разделить на две волны, поляризованные в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Двойное лучепреломление, например, наблюдается в кристаллах.
В квантовой сети лаборатории в Лос-Аламосе квант света путем преломления луча на кристаллической решетке разделяется на два кванта. Таким образом, каждый из них находятся в так называемом «запутанном» состоянии – то есть они неразрывно связаны друг с другом. При этом оба кванта могут быть либо отправлены по оптоволоконным линиям связи, либо остаться в специальных отражающих ловушках.
Далее происходит удивительная вещь. Каждый из пары квантов света имеет такой параметр, как спин. В «запутанном» состоянии наблюдается следующий эффект: если у одного из пары спин находится в состоянии «плюс», то у другого он всегда имеет знак «минус». Более того, считывание информации о спине фотона тут же меняет этот спин на противоположный. В тот же самый момент (это не фигура речи – изменение происходит одновременно во всех точках пространства, распространяясь быстрее скорости света) спин меняется и у второго фотона-брата. Если два фотона «запутаны», то они будут связаны между собой даже за пределами всех известных фундаментальных взаимодействий – сильного, слабого, электромагнитного или гравитационного.
Этот эффект можно применить в криптографии для передачи ключа шифрования, который невозможно будет перехватить. Более того, ученые сейчас изучают любопытные эффекты, связанные с запутанностями фотонов и временем: в частности, оказалось, что можно «запутать» существующий фотон с фотоном, который еще не существует или уже не существует.
Главная проблема, которая ранее существовала с квантовыми ключами - это то, что система работала только в архитектуре «точка-точка». Другими словами, была возможна работа схемы, при которой у каждого из узлов был и стандартный канал коммуникации, и квантовый. При этом максимальное расстояние, на которое можно отправить «запутанный» фотон, невелико – порядка 100 км.
Немецкие ученые создали средство для хранения одного фотона, который сохраняет свое квантовое состояние, – для этого его помещали в отражающую камеру. Второй же фотон при этом отправлялся по оптоволоконной линии, после чего на месте приема его квантовое состояние считывалось. Эта схема и была применена в Лос-Аламосе. Главной задачей специалистов Los Alamos Labs стало создание архитектуры типа «звезда», при которой имелся один центральный хаб и несколько пользователей. Квантовая сеть существует между всеми клиентами и центральным сервером, обработку паролей осуществляет именно хаб.
Cеть работает следующим образом. Например, пользователь хочет отправить зашифрованное сообщение другому пользователю сети. Для этого он отправляет на сервер квантовый ключ и зашифрованное этим ключом сообщение, которое затем на сервере расшифровывается. После этого принимающая сторона отправляет на центральный сервер свой квантовый ключ. Сообщение вновь зашифровывается, уже с другим квантовым ключом, и отправляется абоненту, который его благополучно прочитывает, ибо собственный квантовый ключ ему уже известен. Таким образом, защиты требует только сам центральный сервер – перехватить квантовый ключ на сегодняшний день невозможно.
Широкому применению квантовых ключей безопасности мешает низкая масштабируемость решения. Для обработки поступающих квантовых кодов необходим детектор фотонов, а он весьма дорогой и к тому же громоздкий. Да и обрабатывать большое количество квантовых сообщений детектор фотонов не в состоянии.