Квантовая сеть Китая, крупнейшая в истории, официально в онлайне
Китай имеет квантовую технологию, которая идеально шифрует полезные сигналы на огромных расстояниях, гораздо больших, чем когда-либо прежде, охватывающих Европу и Азию, согласно потрясающему новому исследовательскому отчету.
Схема (большой размер) из отчета показывает, как спутник Micius передает квантовые ключи на огромные расстояния. © Physical Review Letters
Биты информации или сигналы проходят через дома людей, небеса над головой и человеческие тела ежесекундно и ежедневно. Это телевизионные и радио сигналы, а также частные телефонные звонки и файлы данных.
Некоторые из этих сигналов являются общедоступными, но большинство из них являются частными - зашифрованными длинными строками чисел, которые известны (предположительно) только для отправителей и получателей. Такие ключи достаточно мощные для хранения секретов современного общества: кокетливые текстовые сообщения, номера банковских счетов и пароли для скрытых баз данных. Но они хрупкие. Решительный человек, обладающий достаточно мощным компьютером, мог бы взломать их.
"Исторически каждый прогресс в криптографии был побежден успехами в технологиях взлома", - пишет в электронном письме Цзянь-Вэй Пан, научный сотрудник Университета науки и технологий Китая и автор этого исследовательского отчета. "Квантовое распределение ключей завершает эту битву".
Квантовые ключи это длинные ряды чисел - ключи для открытия зашифрованных файлов, как и те, которые используются в современных компьютерах, - но они закодированы в физических состояниях квантовых частиц. Это означает, что они защищены не только компьютерами, но и законами физики.
Квантовые ключи нельзя скопировать. Они могут шифровать передачу между классическими компьютерами. И никто не может их украсть - закон квантовой механики утверждает, что, как только субатомную частицу начинает наблюдать третья сторона, она изменяется - не предупреждая отправителя и получателя о грязном трюке.
И теперь, согласно новому отчету, опубликованному 19 января в журнале Physical Review Letters, квантовые ключи могут передаваться через спутник, шифруя сообщения, отправленные между городами за тысячи километров друг от друга.
Исследователи квантово-зашифрованных изображений, закодировали их как ряды чисел, основанные на квантовых состояниях фотонов, и отправили на расстояние до 7 600 километров между Пекином и Веной - побив предыдущий рекорд в 404 км, также установленный в Китае. Затем, в придачу, 29 сентября 2017 года они провели 75-минутную видеоконференцию между исследователями в двух городах, также зашифрованную с помощью квантового ключа. (О видеоконференции объявляли ранее, но о полном изложении эксперимента сообщили только в этом новом отчете.)
Спутник
© pixabay
Это распределение между квантовыми ключами на большие расстояния является еще одним достижением китайского спутника Micius, который был ответственен за разбивку ряда записей квантовой сети в 2017 году. Micius - это мощное фотонное реле и детектор. В 2016 году, запущенный на околоземную орбиту, он использует тонкие лазеры и детекторы для отправки и приема пакетов квантовой информации - в основном, информации о квантовом состоянии фотона - на огромные участки космоса и атмосферы.
"Micius - самая яркая звезда в небе, когда она передает на станцию", - написал Пан в Live Science. "Звезда [столь же] зеленая как лазер маяка [который Micius использует для нацеливания фотонов на землю]. Если в воздухе есть пыль, вы также можете увидеть линию красного света, указывающую на спутник. Звуки не приходят из космоса. Может быть некоторые, как результат движения наземной станции".
Почти каждый раз, когда Micius что-то делает, он удаляет предыдущие записи полностью. Это связано с тем, что предыдущие квантовые сети полагались на прохождение фотонов с земли, используя воздух между зданиями или волоконно-оптическими кабелями. И есть ограничения прямой видимости с земли, или как далеко волоконно-оптический кабель сможет передавать фотон, не теряя его.
В июне 2017 года исследователи Micius объявили, что отправили два "запутанных" фотона на наземные станции расстоянием 1200 км. (Когда пара фотонов запутывается, они влияют друг на друга, даже когда разделены большими дистанциями.) Месяц спустя, в июле, было объявлено, что исследователи телепортировали пакет космической информации на расстояние 1400 км, от Тибета на орбиту, что означает, что квантовое состояние частицы излучалось непосредственно от частицы на земле к ее двойнику в космосе.
Оба этих достижения были важными шагами на пути к реальным сетям зашифрованным квантовыми ключами.
В новом отчете говорится, что теория была введена в действие.
Сначала Micius зашифровал две фотографии, небольшое изображение самого спутника Micius, затем фотографию одного из первых квантовых физиков Эрвина Шредингера. Затем он зашифровал эту длинную видеоконференцию. На таком расстоянии никогда ранее не было достигнуто подобного действия распределением квантового ключа.
Micius уже готов использоваться к шифрованию более важной информации, сказал Пан.
Как работает квантовый ключ?
© pixabay
Квантово-ключевое распределение по существу является творческим применением так называемого принципа неопределенности Гейзенберга, одного из основополагающих принципов квантовой механики. Как сообщалось в Live Science, принцип неопределенности гласит, что невозможно полностью узнать квантовое состояние частицы, и, что важно, при наблюдении за частью этого состояния детектор навсегда уничтожает другую релевантную информацию, содержащуюся в этой частице.
Этот принцип оказывается очень полезным для кодирования информации. Как писал бельгийский криптограф Жиль Ван Ассей в своей книге "Квантовая криптография и секретная дистилляция" в 2006 году, отправитель и получатель могут использовать квантовые состояния частиц для генерации рядов чисел. Затем компьютер может использовать эти ряды для шифрования определенного бита информации, как видео или текст, отправляя затем его на классическое реле, например, интернет-соединение, которое вы используете, чтобы прочитать эту статью.
Но он не передает ключ шифрования по этому реле. Вместо этого посылая его частицами через отдельную квантовую сеть, пишет Ван Асс.
В случае с Micius это означает отправку фотонов по одному в атмосферу. Затем приемник может считывать квантовые состояния этих фотонов для определения квантового ключа и использовать его для дешифрования классического сообщения.
Однако, если кто-то еще попытался перехватить сообщение, они оставят контрольные знаки - отсутствующие пакеты ключа, которые никогда не попадут к адресату.
Конечно, ни одна сеть не идеальна, особенно, основанная на моментальной передаче информации о съемке для отдельных фотографий через километры пространства. Как писали исследователи Micius, сети обычно теряют 1 или 2 процента своего ключа в ясный день. Но это хорошо, что Micius и базовая станция могут работать совместно, чтобы отредактировать ключ, используя какую-то причудливую математику. Даже если злоумышленник перехватил и разрушил гораздо больший кусок передачи, все, что они не поймали, все равно будет чистым - коротким, но вполне достаточно безопасным для шифрования отправления в крайнем случае.
Однако связь между Micius и Землей еще не совсем безопасна. Как пишет команда китайских и австрийских авторов, недостатком в проекте сети является сам спутник. Прямо сейчас, базовые станции в каждом связанном городе получают разные квантовые ключи со спутника, которые умножаются вместе, а затем распутываются. Эта система работает нормально, пока коммуникаторы полагают, что ни один "секретный отряд гнусных космонавтов" не ворвался в сам Micius, чтобы прочитать квантовый ключ с источника. Они написали, что следующий шаг к действительно совершенной безопасности заключается в том, чтобы распределять квантовые ключи со спутников через запутанные фотоны - ключи, которые спутники будут производить и распространять, но никогда не смогут читать.
Со временем исследователи пишут, они планируют запустить больше квантовых спутников на более высокие орбиты - спутники, которые будут общаться друг с другом и с исследователями на Земле во все более сложных сетях.
Эта медленно расширяющаяся, все более практичная квантовая сеть будет сначала построена для Китая и Европы, как они писали, "а затем и в глобальном масштабе".