Квантовая криптография — это наука о шифровании данных методами, основанными на законах квантовой механики. В отличие от традиционной криптографии, квантовое шифрование предполагает защиту и передачу данных при помощи физических свойств элементарных частиц.
Применение квантовой криптографии
В квантовой криптографии информация кодируется в виде состояний квантовых частиц. В первую очередь для этой цели используются фотоны, которые можно передавать по оптическому кабелю. Квантовую частицу невозможно полностью скопировать, а любое измерение ее состояния приведет к его изменению, что в теории позволяет однозначно определить факт перехвата передаваемой информации.
Чаще всего квантовые частицы используются для генерации и передачи криптографических ключей. Если посторонний попытается перехватить ключ, состояние частиц изменится, и легитимные стороны узнают, что ключ скомпрометирован.
Протоколы квантового шифрования
Первый протокол, позволяющий обмениваться ключами шифрования с помощью фотонов, в 1984 году разработали ученые Жиль Брассар (Gilles Brassard) и Чарльз Беннет (Charles Bennett). На данный момент существует несколько протоколов квантового распределения ключей. Самые распространенные из них:
- BB84 — протокол Брассара и Беннета. В его основе лежат измерение поляризации фотона (характеристики, описывающей геометрию его колебаний) и способность квантовых частиц находиться в суперпозиции состояний (то есть во всех возможных состояниях одновременно) до момента измерения.
- E91 — протокол, созданный в 1991 году Артуром Экертом (Artur Ekert). Этот протокол тоже предполагает измерение поляризации фотонов, но вместо суперпозиции полагается на квантовую запутанность — взаимозависимость состояний двух (или более) частиц.
Проблемы квантовой криптографии
Как и в случае с квантовыми компьютерами, существует ряд проблем, которые препятствуют повсеместному внедрению квантовых криптографических технологий. Во-первых, создание и поддержка сетей для квантовой коммуникации стоят дорого.
Другая проблема при реализации шифрования, использующего физические свойства квантовых частиц, — дальность передачи информации. Чем больше дистанция, на которую нужно передать секретный ключ, тем выше риск, что не все фотоны дойдут до получателя в исходном состоянии.
Несмотря на это, методы квантовой криптографии применяются на практике в исследовательских центрах и коммерческих компаниях. В частности, квантовый генератор случайных чисел используется в некоторых смартфонах.