Distribuția cheii cuantice

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă revizuită de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 9 decembrie 2016; verificările necesită 30 de modificări .

Distribuția cheii cuantice este o metodă de transfer de chei care utilizează fenomene cuantice pentru a garanta o comunicare sigură. Această metodă permite două părți conectate printr-un canal de comunicare deschis să creeze o cheie aleatorie comună, cunoscută doar de ei, și să o utilizeze pentru a cripta și decripta mesajele.

O proprietate importantă și unică a distribuției cheii cuantice este capacitatea de a detecta prezența unei terțe părți care încearcă să obțină informații despre cheie. Aici este folosit un aspect fundamental al mecanicii cuantice: procesul de măsurare a unui sistem cuantic îl încalcă. O terță parte care încearcă să obțină cheia trebuie să măsoare stările cuantice transmise prin canalul de comunicare , ceea ce duce la schimbarea acestora și la apariția unei anomalii. Cu ajutorul suprapunerii cuantice , întanglementării cuantice și transmiterii datelor în stări cuantice, se poate realiza un canal de comunicare care detectează anomalii. Dacă numărul de anomalii este sub un anumit prag, atunci se va crea o cheie, care garantează securitatea (terțul nu are cunoștință de acest lucru), în caz contrar cheia secretă nu va fi creată și conexiunea va fi întreruptă.

Istorie

Criptografia cuantică a fost propusă pentru prima dată de Steven Wiesner . La Universitatea Columbia , la începutul anilor 1970, a introdus conceptul de codificare cuantică conjugată. Lucrarea sa fundamentală a fost respinsă de revista IEEE Information Theory , deoarece presupunerile pe care le facea păreau mai degrabă fantastice decât științifice. Cu toate acestea, în 1983, lucrarea sa „Codificarea conjugate” a fost publicată în Sigact News și a primit mare elogi în comunitatea științifică. [unu]

Schimb de chei cuantice

Transferul cuantic implică criptarea informațiilor în stări cuantice , sau qubiți , spre deosebire de transferul clasic, care utilizează biți . De regulă, fotonii sunt utilizați pentru stările cuantice. Distribuția cheilor cuantice folosește anumite proprietăți ale stărilor cuantice pentru a oferi securitate. Există diverse abordări ale distribuției cheilor cuantice, dar acestea pot fi împărțite în două categorii principale, în funcție de proprietățile pe care le folosesc.

Protocol de pregătire și măsurare Spre deosebire de fizică, măsurarea este o parte integrantă a fizicii cuantice. Măsurarea unei stări cuantice necunoscute o schimbă într-un fel. Acest lucru este cunoscut sub numele de indeterminism cuantic și stă la baza rezultatelor precum principiul incertitudinii lui Heisenberg și teoremele fără clonare . Aceasta poate fi folosită pentru a detecta orice interceptare cu privire la o conexiune și, mai important, pentru a calcula cantitatea de informații care au fost interceptate. Protocoale bazate pe încurcare Stările cuantice a două (sau mai multe) obiecte separate pot fi conectate în așa fel încât să fie descrise mai degrabă în termeni de stare cuantică combinată decât ca obiect individual. Acest lucru se numește încurcare și înseamnă că măsurătorile asupra unui obiect îl afectează pe altul. Dacă o pereche confuză de obiecte este partajată între doi participanți, atunci interceptarea oricărui obiect schimbă sistemul în ansamblu, dezvăluind prezența unor terți (și cantitatea de informații pe care le-au primit).

Protocol BB84

Protocolul utilizează patru stări cuantice de fotoni, direcția vectorului de polarizare, dintre care una este selectată în funcție de bitul transmis: fie pentru , fie pentru . O pereche corespunde și și aparține bazei +. Cealaltă pereche, respectiv , și și aparține bazei . $90^{\circ }$ $135^{\circ }$ $unu$ $45^{\circ }$ $0^{\circ }$ $0$ $|0(+)\rangle$ $|1(+)\rangle$ $|0(\times )\rangle$ $|1(\times )\rangle$ $\times$

Stările cuantice ale sistemului pot fi descrise după cum urmează: , $|0_{\times }\rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}(|0_{+}\rangle +|1_{+}\rangle )$ $|1_{+}\rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}(|0_{\times }\rangle -|1_{\times }\rangle )$

Formarea unei chei cuantice

Alice semnal binar	0	unu	0	unu
Codul de polarizare Alice	$\Săgeata în sus$	$\sageata dreapta$	$\narrow$	$\searrow$
Detectarea lui Bob	$+$	$+$	$+$	$+$
Semnalul binar al lui Bob	0	unu	?	?

Astfel, ca urmare a transmiterii cheii de către Bob în absența interferenței și a distorsiunii, în medie 50% din fotoni vor fi înregistrați corect.

Beneficii :

Secretul cheii garantat la o distanță de până la 50 km

Dezavantaje :

Implementare complexă

Protocol B92

Protocolul folosește fotoni polarizați în două direcții diferite pentru a reprezenta zerourile și unurile ( și , ). Fotonii polarizați de-a lungul direcției transportă informații despre un singur bit, fotonii polarizați de-a lungul direcției poartă informații despre un bit zero. $|\phi _{0}\rangle$ $|\phi _{1}\rangle$ $\langle \phi _{0}|\phi _{1}\rangle \neq 0$ $+45^{\circ }$ $0^{\circ }$

Beneficii :

Folosind fotoni cu două tipuri de polarizare (în loc de patru)
Simplitatea schemei de implementare

Dezavantaje: :

Mai putin eficient
Secretul cheii garantat la o distanță de până la 20 km

Protocolul E91

În 1991 , Arthur Eckert a sugerat că distribuția cheii cuantice ar putea fi realizată folosind încrucișarea cuantică. Pe lângă participanții Alice și Bob, există un generator de particule încurcate care trimite particule către Alice și Bob. Protocolul Eckert definește mai exact situația reală, deoarece din cauza limitării transmisiei pe distanțe lungi, transmisia va implica o sursă centrală, precum un satelit, care va transmite mai multor receptori. Multe cantități fizice pot fi folosite pentru a explica, dar Eckert folosește stări singlet . În loc să aibă încredere în sursa, care poate fi în mâinile Evei, Eckert a stabilit protocolul astfel încât sursa să emită perechi de particule cu spin în stări singlet . Alice și Bob trebuie să aleagă una dintre cele trei axe în care să măsoare particulele de intrare. [2] ${\frac {1}{2))$ $\phi ={\frac {1}{\sqrt {2}}}(|\uparrow \downarrow \rangle -|\downarrow \uparrow \rangle )$

Investigarea sistemului de distribuție a cheilor cuantice

Când se studiază sistemele de criptografie cuantică și se analizează propagarea radiației într-un canal cuantic cu propagare directă a semnalului, este suficient să se utilizeze aparatul matematic al opticii undelor, dar cu propagarea inversă a semnalului, este necesar să se procedeze la descriere folosind optica cuantică. aparat, deoarece în timpul propagării inverse, semnalul este atenuat la nivelul unui singur foton. O modificare a formei impulsului optic duce la o redistribuire a probabilității momentului în care un foton apare la intrarea detectorului. Forma pulsului afișează funcția de densitate de probabilitate a detectării unui foton pe un interval de timp. Probabilitatea detectării unui foton în intervalul [t1;t2] este reprezentată de integrala funcției de distribuție a densității de probabilitate în acest interval, ținând cont de coeficientul de atenuare al căii fibrei optice. Pentru a obține o eficiență maximă, este posibilă modificarea intervalului de detecție a fotonului pentru a reduce numărul de impulsuri de curent întunecat care se încadrează în acest interval. [3]

Note

↑ Wiesner S. Codare conjugată // Sigact News. - 1983. - T. 15 , nr 1 . - S. 78-88 .
↑ Ilic N. , p. 2.
↑ Golubcikov, 2009 , p. 157.

Literatură

Articole științifice

Kronberg D. A., Ozhigov Yu. I., Chernyavsky A. Yu. Criptografia cuantică. Tutorial. . - Universitatea de Stat din Moscova numită după M.V. Lomonosov. - S. 112 . Arhivat din original la 30 noiembrie 2016.
Golubchikov D. M., Rumyantsev K. E. Criptografia cuantică: principii, protocoale, sisteme . - S. 37 . Arhivat din original la 30 noiembrie 2016.
Cobourne S. Distribuția cheilor cuantice - protocoale și aplicații . — Securitate la Royal Holloway, Universitatea din Londra. - S. 92 .
Ilic N. Protocolul Ekert . - S. 4 .
Gupta DL, Singh AK Protocoale de distribuție a cheilor cuantice: o revizuire . - S. 9 .
Golubchikov D. M. Metode de cercetare și evaluare a sistemelor de distribuție a cheilor cuantice Izvestiya SFedU. Știința tehnică. - 2009. - S. 154-159 . Arhivat din original pe 20 decembrie 2016.

informatica cuantica

Concepte generale

comunicații cuantice

canal cuantic
- rețea cuantică
criptografia cuantică
- Distribuția cheii cuantice
Teleportarea energiei cuantice
teleportarea cuantică
Codare cuantică ultradensă
LOCC
distilare cuantică

Algoritmi cuantici

simulator cuantic
Algoritmul Deutsch-Yozhi
Algoritmul Bernstein-Wazirani
Algoritmul lui Grover
Transformată Fourier cuantică
algoritmul lui Shor
problema lui Simon
Algoritmul de estimare a fazei cuantice
Algoritmul de calcul cuantic
recoacere cuantică
Răcire algoritmică
Algoritm cuantic pentru rezolvarea unui sistem de ecuații liniare
Câștig de amplitudine

Teoria complexității cuantice

Modele de calcul cuantic

circuit cuantic
- poarta cuantică
Calculator cuantic unilateral
- cluster
Calcul cuantic adiabatic
Calculator cuantic topologic

Prevenirea decoerenței

Corectarea erorilor cuantice
Codurile de stabilizare
Formalismul de stabilizare
Cod convoluțional cuantic

Implementări fizice

optica cuantică	Electrodinamica cuantică a cavitației Electrodinamica cuantică de contur Calcul cuantic bazat pe optică liniară Protocolul KLM Prelevarea bosonică
atomi superreci	Calculator cuantic cu ioni absorbiți Gratar optic
pe spate	Calculator cuantic bazat pe rezonanța magnetică nucleară Calculatorul cuantic al lui Kane Pierdere computer cuantic - DiVincenzo Centrul NV
Calculatoare cuantice supraconductoare	încărcați qubit streaming qubit qubit de fază Transmon