Квантовые коммуникации и сети

1. Квантовые коммуникации и сети

Владимир Егоров, Университет ИТМО

2.

3. СЕГОДНЯ МЫ УЗНАЕМ:

• Что такое квант и может ли он долететь
до спутника?
• Квантовая криптография и телепортация
– одно и то же?
• Как позвонить по квантовому телефону?
• Когда нам подключат квантовый
интернет?
3

4.

Часть I
Что такое квантовые технологии?
4

5. Что такое квант?

Квант – фундаментальная (минимальная и неделимая) порция энергии,
а также соответствующая ей частица (например, квант света – фотон).
5

6. Первая квантовая революция (начало XX века)

Сформулированы фундаментальные законы квантовой физики,
«неклассически», описывающие природу реальности.
Создание устройств и технологий на основе знания квантовой
теории (революции в оптике и электронике!)
6

7. Вторая квантовая революция (начало XXI века)

Создание устройств и технологий на основе управления
отдельными квантовыми объектами
(революции в вычислениях, криптографии и метрологии!)
7

8. Это всё так запутано…

Квантовая информация записывается
в квантовых битах (кубитах):
• До измерения:
0 1
1
2
2
• После измерения: 0 или 1
Кубиты могут быть запутаны:
12 1 2
Они становятся единой системой и
измерение одного сразу же влияет на другой.
8

9. Фундаментальные квантовые свойства:

1.Неопределённость – чем точнее измеряется одна
характеристика объекта, тем менее точно можно
определить вторую (связанную с ней).
2.Не-реализм – состояние квантового объекта можно
определить только в процессе измерения, после которого
это состояние разрушается.
3.Нелокальность – «запутанные» квантовые объекты
могут влиять друг на друга, находясь на любом
расстоянии («быстрее скорости света»).
9

10. 1. Неопределённость

?!
Классический объект:
Зелёное яблоко – диаметр 5 см
Красное яблоко – диаметр 6 см
Квантовый объект:
Цвет яблока неизвестен, диаметр – 5 см
Красное яблоко, диаметр неизвестен
10

11. 2. Не-реализм

Классический объект:
яблоко или зелёное, или красное
Квантовый объект:
яблоко и зелёное, и красное
(до измерения!)
11

12. 3. Нелокальность: классический объект с квантовыми свойствами

1. Каждый носок – это кубит:
он и левый, и правый
1
1
Носок
Левый
Правый
2
2
1
2
2
1
2
2. Надев носок, вы его «измеряете»:
теперь он уже или левый, или правый
3. В паре носки запутаны друг с другом:
если один — левый, другой
сразу становится правым
12

13. Определение квантовой технологии (по Дж. Даулингу)

Неопределённость
Не-реализм
Квантовый
ГСЧ
Квантовая
криптография
Квантовая
телепортация
Нелокальность
13

14. Квантовые технологии

Квантовые сенсоры
Квантовые вычисления
Квантовые коммуникации
Для передачи информации
(телепортация, сверхплотное кодирование)
Для защиты информации
(квантовая криптография, цифровая подпись)
14

15.

Часть II
Зачем нужны квантовые коммуникации?
15

16. Криптографический ключ

Пример: шифр Цезаря
Криптогр
афия
Нултсёуг
члв
Kлюч = «Сдвинуть на 3 позиции»
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я
Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В
16

17. Проблема передачи ключа

17

18. 3. Шифрование данных (симметричная криптография) и передача сообщения

1. Шифрование ключа
(асимметричная
криптография)
Односторонние функции
2. Передача ключа
3. Шифрование данных
(симметричная криптография)
и передача сообщения
18

19.

Односторонние функции
Легко
Сложно
Легко
491 x 877
430 607
Сложно
19

20.

Фундамент современной криптографии:
Время, требуемое на расшифровку на электронном компьютере
существенно превышает время актуальности информации.
Например, оно может составлять 1 000 000 лет.
20

21. Разложите на простые множители:

Не проблема… для
квантового компьютера!
430 607 =
491 x 877
21

22. «Квантовый процессор подсчитал, что 15 = 3 x 5 (с почти 50% вероятностью!)» журнал Popular Science, 20 августа 2012 г.

Квантовая факторизация чисел
В 2012 году группа учёных из Университета Калифорнии создала
первый квантовый процессор, факторизующий числа по
квантовому алгоритму Шора.
Его результат…
15 = 3 x 5
«Квантовый процессор подсчитал, что 15 = 3 x 5
(с почти 50% вероятностью!)»
журнал Popular Science, 20 августа 2012 г.
22

23. Почему квантовые вычисления эффективнее?

Перебирает все комбинации «по очереди»
Перебирает все комбинации «сразу»
23

24. Прогресс в области квантовых вычислений?

24

25. Компании, занимающиеся разработкой квантовых компьютеров

25

26. Квантовый компьютер IBM

26

27.

27
27

28. Угроза безопасности от квантового компьютера не только не даст развивать новые технологии, но и ограничит применение

существующих!
Шифрование
В будущем
Расшифровка
Хранение копии
Расшифровка
Photo ©2013 AP / Rick Bowmer
Теорема Моска
y (время на переоборудование
инфраструктуры)
x (время, которое шифр должен
быть секретным)
z (время на создание квантового компьютера)
Время
Если x + y > z, тогда беспокойтесь.
M. Mosca, http://eprint.iacr.org/2015/1075
28

29.

Существует ли «золотой ключик», устойчивый
даже к квантовым вычислениям?
ДА!
29

30. Абсолютно стойкий ключ (АСК)

Шифр Вернама, метод
одноразовых блокнотов (1917 г.)
Текст
(XOR)
Ключ =
Открытый
XORканал. Шифротекст
АСК
0
1
Свойства ключа:
0
• Абсолютно случаен
• Равен длине сообщения1
xor
xor
xor
xor
0
1
1
0
=
=
=
=
0
0
1
1
шифрова
• Используется один раз
Отправитель
Получатель
ние
1 1 1 0 0 0 секретный
текст
В работе
Закрытый канал.ключ
+ 1 1 0 1 0 0 секретный
Шеннона 1945 г.
= 0 0 1 1 0 0 шифротекст
Ключ
доказана
дешифрова
безусловная
ние
0 0 1 1 0 0 шифротекст
стойкость
+ 1 1 0 1 0проблема
0 секретный
ключ
Снова
встаёт
передачи
ключа!
этого шифра
= 1 1 1 0 0 0 секретный текст
30

31. Как передать АСК?

• С помощью неопределённости, не-реализма
и нелокальности – квантовая телепортация
• С помощью неопределённости и не-реализма –
квантовая криптография (квантовая рассылка ключей)
Квантовая криптография ≠ Квантовая телепортация
(хотя её можно выполнить на основе телепортации,
но это сложно, и поэтому так обычно не делают)
31

32. Итог: новая парадигма безопасности

Современный подход:
безопасность = математика
Подход будущего:
безопасность = физика
Квантовая рассылка ключей (КРК)
Легко
Сложно
но НЕ невозможно для:
Квантовых компьютеров
Новых алгоритмов?
Облачных вычислений?
Чего-то ещё?
32

33.

Часть III
Квантовая телепортация
33

34. Квантовая телепортация

Ожидание
Реальность
34

35. Передача информации…мгновенная?

Мгновенно, да?
А про скорость
света вы слышали?
1. У Алисы есть «красный» фотон и «белый», запутанный с «синим». «Синий» передаётся Бобу.
2. Алиса совместно измеряет «красный» и «белый», после чего «синий» сразу «превращается» в «красный».
3. Чтобы Боб об этом узнал, нужно передать один бит по классическому каналу.
Bouwmeester D., Pan J.-W., Mattle K., Eibl M., Weinfurter H., Zeilinger A. Experimental quantum teleporting // Nature. 1997. Vol. 390
35

36. Проведем классический эксперимент

1. Лектор ходит в разных носках:
один коричневый, другой оранжевый
2. На счёт «три» назовите, какого цвета носок на
его ноге по левую руку от вас
3. Информацию о втором носке вы узнали
мгновенно!
4. Но для этого потребовался пункт №1,
переданный «классически»
«Носки Бертлманна» (с) Джон Белл
36

37. Квантовая телепортация:

на курорте…
и в космосе!
37

38. Как фотоны долетают до спутника?

(Ответ: «Очень плохо, но долетают»)
38

39.

Часть IV
Квантовая криптография
(квантовая рассылка ключа)
39

40.

Схема квантовой рассылки ключа
Канал синхронизации:
для согласования устройств
Алисы и Боба
Открытый классический
канал: для обсуждения
результатов измерений
Получатель
(Боб)
Отправитель
(Алиса)
Защищённый квантовый
канал: для рассылки ключей
Нарушитель
(Ева)
Безопасность основана на том, что ключи (абсолютно стойкие)
передаются с помощью одиночных фотонов – квантов света
40

41.

…разделить одиночный фотон
…скопировать одиночный фотон
…повторно измерить одиночный
фотон (не разрушив его состояние)
Незаметно перехватить
квантовый ключ невоможно!
41

42.

Классическая информация
Совершенная копия
Нарушитель
Отправитель
Оригинал
?
Неизмененный оригинал
Квантовая информация
Нарушитель
Нарушитель
Несовершенная копия
Испорченный оригинал
Оригинал
Получатель
42
42

43. Пример протокола квантовой криптографии

Штука, которая испускает фотоны
(ослабленный лазер)
Линия связи
(Оптическое волокно или атмосфера)
Штука, которая
регистрирует совпадения
(Счётчик фотонов)
Одинаковые штуки,
которыми можно
изменить параметр
фотона (Модуляторы)
43

44. Получение «квантового» ключа

011000011101010101…
44

45.

Протокол BB84 с кодированием
по поляризации
Нарушитель не знает правильный
базис и может только пытаться
угадать его, внося ошибки
Два поляризационных
базиса
Получатель
производит
измерения в
одном из двух
базисов
Выбирается случайно
Выбирается случайно
Выбирается случайно
45

46. Первая установка квантовой криптографии (1984)

Дальность передачи ключа: 32,5 см!
Авторы: Жиль Брассард и Чарльз Беннетт
46

47.

Часть IV
Современное состояние
квантовых коммуникаций
47

48. Квантовые сети сегодня

2001 – США
2003 – Европейский союз
и Швейцария
2008 – Япония
2009 – Китай
2014 – Россия
2018 – Южная Корея
48

49.

Вехи развития квантовых сетей
2004: Первое использование квантовых коммуникаций в банке
Линия была организована между ратушей и отделением Bank Austria
Creditanstalt в г. Вена, Австрия
2004 - Н.В.: В развитых странах запущены квантовые сети
США, ЕС, Швейцария, Китай, Япония, Россия сообщили об успешном запуске
квантовых сетей в течение последнего десятилетия;
Достигнуты скорости более 1 Мбит/с и дальности свыше 100 км в сетевом
режиме
2007: Квантовые коммуникации использованы на выборах в
Швейцарии
2010: Квантовая защита каналов связи применялась на
ЧМ по футболу в ЮАР
2013: Battelle запустила первую коммерческую квантовую сеть в
США
2016: Китай запускает Micius, первый спутник квантовой связи
Источник: пресс-релизы в интернете
49

50. (Возможно) крупнейшая квантовая сеть в мире

Сеть Пекин-Шанхай
C 2004 года нет открытых
официальных
• 2000
километров
данных о квантовой сети США
• 32 узла-ретранслятора
• 1-10 кбит/с – скорость
генерации ключей
Почему «возможно»?
50

51. Shanghai control center of the Chinese quantum key distribution network

Photo ©2016 Vadim Makarov
Shanghai control center of the Chinese
quantum key distribution network
51

52.

CAS Strategic Priority Research Program: Quantum Satellite
High-rate QKD between satellite and ground
Quantum entanglement distribution from satellite to ground, test of Bell’
s
inequality over large-scale
Quantum teleportation between satellite and ground
Was launched in 2016
Urumqi
Ali
Denglingha
Beijing
~1200km
Lijiang
Presentation by Jian-Wei Pan at TyQI conference, Shanghai, June 27–30, 2016
52

53.

Национальная квантовая сеть США?
Организатор: Battelle
Цель: Создание национальной
квантовой сети и дальнейшее
расширение путем соединения с
европейскими проектами
Участники: Battelle, ID Quantique,
Google, IBM, Microsoft, Rackspace,
Amazon
Сроки: ?
http://www.theverge.com/2014/11/18/7214483/quantum-networks-expand-across-three-continents
53

54. SwissQuantum (2009-2011)

Западная Европа
SECOQC (2004-2008)
Основные результаты:
1. Объединение разработанных в Европе систем
КРК в единую сеть (более 40 организацийучастников)
2. Разработаны внутренние сетевые протоколы
для многоузловой квантовой сети
SwissQuantum (2009-2011)
Основные результаты:
1. Системы КРК тестируются в пятерке
крупнейших банков Швейцарии
2. Показана долговременная
стабильность квантовой сети
(более 1,5 лет)
54

55. Tokyo QKD network (Япония, 2008)

Основные результаты:
1. Реализована передача видеосигнала, закодированного с
помощью квантового ключа
2. Развит сетевой протокол
55

56. Quantum network testbeds in Russia

Saint Petersburg:
Backbone QKD
networks
Kazan:
QKD networks with
trusted and quantum
repeaters
Moscow:
Secure banking and
regional networks
Samara:
Software-defined
quantum networking
56

57. Технологические барьеры при внедрении КРК

57
Технологические барьеры при внедрении КРК
В области сетей:
Искажения квантового сигнала в волокне;
Низкая скорость рассылки ключей (по сравнению с передачей данных);
Отсутствие повторителей и усилителей (ограниченная дальность);
Фундаментальная архитектура «точка-точка»;
Объединять в одном волокне информационный и квантовые сигналы
теоретически возможно, но технически очень трудно.
В области безопасности:
«Чистые» источники фотонов не подходят для широкого применения;
Ослабленные лазерные источники могут создавать угрозы безопасности
(требуется постобработка квантовых ключей);
Необходимость защиты от атак на техническую реализацию.
57

58. Схема “Plug & Play”квантовой криптографии

Схема “Plug & Play”квантовой криптографии
Позволяют компенсировать поляризационные
искажения квантового сигнала за счёт применения
двухпроходной схемы

59. Низкая скорость квантовых ключей Решение: КРК для обновления ключей в СКЗИ

Так можно сделать «квантовый телефон» и
«квантовую видеоконференцию»

60. Отсутствие повторителей и усилителей. Решение: доверенные узлы-ретрансляторы

60
Отсутствие повторителей и усилителей.
Решение: доверенные узлы-ретрансляторы
Защищенный
пользовательский
трафик
ККШ
Отправителя
ККШ
Получателя
СКЗИ
СКЗИ
ДПУ
ККС ВРК
КК
ДПУ
КК
ДПУ
КК
КК
ККС ВРК
Альтернатива: сети КРК с оптическими переключателями (для малых дистанций)
или квантовые повторители (для больших дистанций), но технология ещё не готова.
60

61. Архитектура «точка-точка» Решение: несколько КРК в доверенных узлах

61
Архитектура «точка-точка»
Решение: несколько КРК в доверенных узлах
Между каждой парой А и Б генерируется уникальный ключ (свойство КРК).
К1
А
Б
1. «Точка-точка»
А
Б
Б
А
А
Б
Б
А
А
2. «Звезда»
К1
Б
Б
К2
Б
К3
А
А
3. «Кольцо»
61

62.

Низкая скорость и архитектура «точка-точка»
Решение: мультиплексирование квантовых каналов
А
К1
А2
К2
WDM
MUX
К1
Б
К2
Б2
WDM
DEMUX
1. Несколько квантовых каналов в одном
волокне (WDM)
К1, К2
А
К1
Б
К2
Б2
TDM
DEMUX
2. Несколько квантовых каналов в
одном волокне (PON с разделением по
времени)
62

63. Передавать по одному волокну квантовые ключи и данные – возможно, но пока очень сложно

63
Передавать по одному волокну квантовые ключи и данные –
возможно, но пока очень сложно
63

64. Квантовая сеть как ещё один уровень защиты

Защищаемая сеть (LAN)
Оптически переключатели
Квантовые трансиверы
Криптомаршрутизатор
64

65. Подведем итоги:

«Квантовый интернет»
• Пока что ограничен по скорости и дальности,
• Реализует новые методы передачи и защиты данных,
• Обеспечит более безопасный информационный обмен,
• Соединит распределённые квантовые компьютеры,
• Будет включать спутниковые и оптоволоконные каналы,
• Не заменит, а дополнит оптические сети,
• Возникнет в 2020-2030х годах
… и мы стоим на пороге его появления!
65

66. Тестовые вопросы

1.
2.
3.
4.
5.
«Квантовое превосходство» в вычислениях:
1. Только предсказано теоретически
2. Достигнуто экспериментально в 2019 году
3. Google и IBM обещают продемонстрировать к 2024 году
Технологии квантовой коммуникации могут применяться:
1. Только для защиты информации
2. Только для передачи информации
3. Для обеих целей
Верно ли утверждение «Квантовая криптография всегда основана на
эффекте квантовой телепортации»
1. Да
2. Нет
Системы квантовой криптографии предназначены для…
1. Распределения асимметричных ключей
2. Распределения симметричных ключей
3. Защищённой передачи информации
4. Всего перечисленного
Главным фактором, ограничивающим дальность квантовой рассылки
ключей, является:
1. Высокое поглощение фотонов в канале связи
2. Невозможность регенерации сигнала с помощью усилителей
3. Низкие параметры детекторов одиночных фотонов
Тестовые вопросы
6. Какое свойство одиночного фотона не используется для распределения ключей
методами квантовой криптографии?
1. Неделимость
2. Туннелирование
3. Изменение квантового состояния после измерения
7. Какие параметры одиночного фотона могут применяться для кодирования квантовой
информации?
1. Фаза
2. Поляризация
3. Время прихода
4. Все перечисленные
8. Какое государство впервые провело сеанс квантовой рассылки ключей между Землёй
и спутником?
1. США
2. Канада
3. Китай
4. Россия
9. Какому государству принадлежит мировой рекорд по общей протяжённости
квантовых сетей (в 2019 г.)?
1. США
2. Китай
3. Великобритания
4. Россия

67. Правильные ответы

1.
2.
3.
4.
5.
«Квантовое превосходство» в вычислениях:
1. Только предсказано теоретически
2. Достигнуто экспериментально в 2019 году
3. Google и IBM обещают продемонстрировать к 2024 году
Технологии квантовой коммуникации могут применяться:
1. Только для защиты информации
2. Только для передачи информации
3. Для обеих целей
Верно ли утверждение «Квантовая криптография всегда основана на
эффекте квантовой телепортации»
1. Да
2. Нет
Системы квантовой криптографии предназначены для…
1. Распределения асимметричных ключей
2. Распределения симметричных ключей
3. Защищённой передачи информации
4. Всего перечисленного
Главным фактором, ограничивающим дальность квантовой рассылки
ключей, является:
1. Высокое поглощение фотонов в канале связи
2. Невозможность регенерации сигнала с помощью усилителей
3. Низкие параметры детекторов одиночных фотонов
Правильные ответы
6. Какое свойство одиночного фотона не используется для распределения ключей
методами квантовой криптографии?
1. Неделимость
2. Туннелирование
3. Изменение квантового состояния после измерения
7. Какие параметры одиночного фотона могут применяться для кодирования квантовой
информации?
1. Фаза
2. Поляризация
3. Время прихода
4. Все перечисленные
8. Какое государство впервые провело сеанс квантовой рассылки ключей между Землёй
и спутником?
1. США
2. Канада
3. Китай
4. Россия
9. Какому государству принадлежит мировой рекорд по общей протяжённости
квантовых сетей (в 2019 г.)?
1. США
2. Китай
3. Великобритания
4. Россия