Ein bisschen über Quantenkryptographie

Quantencomputer und verwandte Technologien sind in letzter Zeit relevanter geworden. Die Forschung auf diesem Gebiet hat seit Jahrzehnten nicht aufgehört, und eine Reihe revolutionärer Errungenschaften sind offensichtlich. Die Quantenkryptographie ist eine davon.
Vladimir Krasavin "Quantenkryptographie"

Dieser Artikel ist ein Prolog zu einer Reihe von Artikeln und Übersetzungen zum Thema Quantenkryptographie.

Tatsächlich hören wir in letzter Zeit immer häufiger Begriffe wie „Quantencomputer“, „Quantencomputer“ und natürlich „Quantenkryptografie“.

Und wenn mit den ersten beiden Konzepten alles klar ist, dann die „Quantenkryptographie“ - ein Konzept, das, obwohl es einen genauen Wortlaut hat, für die meisten Menschen immer noch eine dunkle und nicht ganz klare Art von Igel im Nebel bleibt.

Bevor wir jedoch direkt zur Analyse dieses Themas übergehen, stellen wir die Grundkonzepte vor:
Kryptographie ist die Wissenschaft von Methoden zur Gewährleistung der Vertraulichkeit (die Unmöglichkeit, Informationen von Außenstehenden zu lesen), der Datenintegrität (die Unmöglichkeit, Informationen diskret zu ändern), der Authentifizierung (die Überprüfung der Authentizität der Urheberschaft oder anderer Eigenschaften eines Objekts) sowie der Unmöglichkeit der Nichtverweigerung.

Die Quantenphysik ist ein Zweig der theoretischen Physik, der quantenmechanische Systeme und Quantenfeldsysteme sowie die Gesetze ihrer Bewegung untersucht. Die Grundgesetze der Quantenphysik werden im Rahmen der Quantenmechanik und der Quantenfeldtheorie untersucht und in anderen Bereichen der Physik angewendet.

Quantenkryptographie- Kommunikationsschutzmethode basierend auf den Prinzipien der Quantenphysik. Im Gegensatz zur traditionellen Kryptographie, bei der mathematische Methoden zur Wahrung der Geheimhaltung von Informationen verwendet werden, konzentriert sich die Quantenkryptographie auf die Physik, wobei Fälle berücksichtigt werden, in denen Informationen mithilfe von Objekten der Quantenmechanik übertragen werden.

Orthogonalität ist ein Konzept, das eine Verallgemeinerung der Rechtwinkligkeit für lineare Räume mit dem eingeführten Skalarprodukt ist.

Quantum Bit Error Rate (QBER) - Quantum Error Rate .

Die Quantenkryptographie ist eine junge Richtung, die sich jedoch aufgrund ihrer Ungewöhnlichkeit und Komplexität langsam entwickelt. Formal gesehen ist dies keine Kryptographie im wahrsten Sinne des Wortes, da sie weniger auf mathematischen Modellen als auf der Physik der Quantenteilchen beruht.

Sein Hauptmerkmal und gleichzeitig ein Merkmal jedes Quantensystems ist die Unmöglichkeit, den Zustand des Systems über die Zeit zu öffnen, so dass das System während der ersten Messung seinen Zustand in einen der möglichen nicht-orthogonalen Werte ändert. Unter anderem gibt es das "Clone Prohibition Theorem"formuliert 1982 von Wutters, Zurek und Dieks, was die Unmöglichkeit nahe legt, eine ideale Kopie eines willkürlichen unbekannten Quantenzustands zu erstellen, obwohl es eine Lücke gibt, nämlich die Erstellung einer ungenauen Kopie. Dazu müssen Sie das ursprüngliche System mit einem größeren Hilfssystem in Wechselwirkung bringen und eine einheitliche Transformation des Gesamtsystems durchführen, wodurch mehrere Komponenten des größeren Systems ungefähre Kopien des Originals werden.

Grundlagen der Datenübertragung


Bild

Um keine komplexen und nicht nachvollziehbaren Schemata zu geben, greife ich auf eine Mischung aus Physik und Geometrie zurück.

Als Informationsträger werden meist einzelne oder gepaarte gekoppelte Photonen verwendet. Die Werte 0/1 werden durch unterschiedliche Polarisationsrichtungen der Photonen codiert. Beim Senden wird eine zufällig ausgewählte 1 von zwei oder drei nicht orthogonalen Basen verwendet. Dementsprechend ist es nur dann möglich, das Eingangssignal korrekt zu verarbeiten, wenn der Empfänger die richtige Basis auswählen konnte, andernfalls wird das Ergebnis der Messung als ungewiss angesehen.

Wenn der Hacker versucht, Zugang zu dem Quantenkanal zu erhalten, über den die Übertragung stattfindet, wird er sich wie der Empfänger bei der Auswahl der Basis irren. Dies führt zu einer Verfälschung der Daten, die von den Austauschpartnern bei der Überprüfung festgestellt werden. Dies hängt von bestimmten Texten ab, die sie im Voraus vereinbart haben, z. B. persönlich oder über einen verschlüsselten Kanal unter Verwendung klassischer Kryptografiemethoden.

Erwartung und Wirklichkeit


Bei Verwendung eines idealen Systems ist das Abfangen von Daten unmöglich, da es von den Austauschteilnehmern sofort erkannt wird. Beim Zugriff auf reale Systeme wird jedoch alles viel prosaischer.

Zwei Funktionen werden angezeigt:

  • Es besteht die Möglichkeit, dass Bits falsch übertragen werden, da der Prozess probabilistischer Natur ist.
  • Da das Hauptmerkmal des Systems die Verwendung energiearmer Impulse ist, reduziert dies die Datenübertragungsrate erheblich.

Nun etwas mehr zu diesen Funktionen.

Falsche oder genauer gesagt verzerrte Bits können aus zwei Hauptgründen auftreten. Der erste Grund ist ich , die Unvollkommenheit der Geräte bei der Datenübertragung, der zweite Grund ist das Eingreifen eines Kryptoanalytikers oder Hackers.
Die Lösung für den ersten Grund ist die offensichtliche Quantenbitfehlerrate.

Die Quantenbitfehlerrate ist die Höhe der Quantenfehler, die nach einer ziemlich ausgeklügelten Formel berechnet wird:

QBER = "p_f + (p_d * n * q * ∑ (f_r * t_l) / 2) * μ"

Wo:
p_f: Wahrscheinlichkeit eines falschen "
Klickens " (1-2%) p_d: Wahrscheinlichkeit eines falschen Photonensignals:
n: Anzahl der Detektionen
q: Phase = 1/2; Polarisation = 1
Σ: Detektorwirkungsgrad
f_r: Wiederholungsrate
p_l: Datenübertragungsrate (je größer der Abstand, desto geringer)
µ: Dämpfung für Lichtimpulse.

In Bezug auf das zweite Merkmal ist zu erwähnen, dass es in allen Systemen eine Signaldämpfung gibt. Und wenn bei den gegenwärtig verwendeten Datenübertragungsmethoden dieses Problem durch verschiedene Verstärkungsmethoden gelöst wird. Im Fall des Quantenkanals liegt die derzeit maximal erreichte Geschwindigkeit bei 75 Kbit / s, der Anteil verlorener Photonen hat jedoch fast 50% erreicht. Obwohl ich aus Gründen der Fairness sagen möchte, dass nach bekannten Daten der minimale Übertragungsverlust bei einer Geschwindigkeit von nur 5 kbit / s 0,5% beträgt.

Somit können wir die folgenden Schlussfolgerungen ziehen:

  1. Obwohl es idealerweise fast unmöglich ist, einen Kanal zu knacken, der durch die Methoden der Quantenkryptographie geschützt ist, sind wir, zumindest durch die derzeit bekannten Methoden, in der Praxis nach der Regel, dass die Stabilität eines Systems durch die Stabilität seines schwächsten Glieds bestimmt wird, vom Gegenteil überzeugt;

  2. Die Quantenkryptographie entwickelt sich und zwar recht schnell, aber leider hält die Praxis nicht immer mit der Theorie Schritt. Infolgedessen folgt die dritte Schlussfolgerung;

  3. Derzeit erstellte Systeme, die Protokolle wie BB84, B92 verwenden, sind anfällig für Angriffe und bieten von Natur aus keine ausreichende Lebensdauer.

Natürlich werden Sie sagen:

- Aber wie so gibt es die Protokolle E91 und Lo05. Und es unterscheidet sich grundlegend von BB84, B92.
- Ja, und doch gibt es eine Sache, ABER ...

Aber mehr dazu im nächsten Artikel.

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