Атом және ядролық физикадан шығармашылық жоба "Кванттық физика"

1 слайд
Квантовые коммуникации и сети

2 слайд

3 слайд
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 слайд
Что такое квант? Квант – фундаментальная (минимальная и неделимая) порция энергии, а также соответствующая ей частица (например, квант света – фотон). 4

5 слайд
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!) 5

6 слайд
Это всё так запутано… Квантовая информация записывается в квантовых битах ( кубитах) : • До измерения: • После измерения: 0 или 1 Кубиты могут быть запутаны : Они становятся единой системой и измерение одного сразу же влияет на другой.0 1      2 2 1     12 1 2      6

7 слайд
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»). 7

8 слайд
1. Неопределённость Квантовый объект: Цвет яблока неизвестен , диаметр – 5 см Красное яблоко, диаметр неизвестенКлассический объект: Зелёное яблоко – диаметр 5 см Красное яблоко – диаметр 6 см ?! 8

9 слайд
Квантовый объект: яблоко и зелёное, и красное (до измерения!)2. Не-реализм Классический объект: яблоко или зелёное, или красное 9

10 слайд
3. Нелокальность : классический объект с квантовыми свойствами 1. Каждый носок – это кубит: он и левый, и правый 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 правым1 1 2 2 Носок Левый Правый   1 2     2 2 1     10

11 слайд
Квантовые технологии Квантовые коммуникации Квантовые сенсоры Квантовые вычисления Для передачи информации (телепортация, сверхплотное кодирование) Для защиты информации (квантовая криптография, цифровая подпись) 11

12 слайд
Пример: шифр Цезаря 12А 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 ЯK люч = «Сдвинуть на 3 позиции»Криптография Нултсёугчлв 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 ВКриптографический ключ

13 слайд
Легко Сложно 13491 x 877 4 30 607Легко СложноОдносторонние функции

14 слайд
Фундамент современной криптографии: Время, требуемое на расшифровку существенно превышает время актуальности информации. Например, оно может составлять 1 000 000 лет. на электронном компьютере 14

15 слайд
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.Квантовая факторизация чисел 15

16 слайд
Почему квантовые вычисления эффективнее? 16Перебирает все комбинации «по очереди» Перебирает все комбинации «сразу»

17 слайд
17Компании, занимающиеся разработкой квантовых компьютеров

18 слайд
18Квантовый компьютер IBM

19 слайд
Угроза безопасности от квантового компьютера не только не даст развивать новые технологии, но и ограничит применение существующих! z (время на создание квантового компьютера) y (время на переоборудование инфраструктуры) x (время, которое шифр должен быть секретным) Время M. Mosca, http://eprint.iacr.org/2015/1075Теорема Моска Если x + y > z , тогда беспокойтесь.Шифрование Расшифровка Хранение копии Расшифровка В будущем Photo © 2013 AP / Rick Bowmer 19

20 слайд
Абсолютно стойкий ключ (АСК) Шифр Вернама, метод одноразовых блокнотов (1917 г.) 20Текст ( XOR ) Ключ = АСК Свойства ключа: • Абсолютно случаен • Равен длине сообщения • Используется один раз В работе Шеннона 1945 г. доказана безусловная стойкость этого шифра Снова встаёт проблема передачи ключа! Открытый канал. Шифротекст Закрытый канал. Ключ ПолучательОтправитель 1 1 1 0 0 0 секретный текст + 1 1 0 1 0 0 секретный ключ = 0 0 1 1 0 0 шифротекст шифрование дешифрование 0 0 1 1 0 0 шифротекст + 1 1 0 1 0 0 секретный ключ = 1 1 1 0 0 0 секретный текст0 xor 0 = 0 1 xor 1 = 0 0 xor 1 = 1 1 xor 0 = 1 XOR

21 слайд
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) 21

22 слайд
Итог: новая парадигма безопасности Легко Современный подход: безопасность = математика Сложно но НЕ невозможно для: • Квантовых компьютеров • Новых алгоритмов? • Облачных вычислений? • Чего-то ещё?П роблем а Подход будущего: безопасность = физика Квантовая рассылка ключей (КРК) Реш ение 22

23 слайд
Квантовая телепортация Ожидание Реальность 23

24 слайд
Передача информации… мгновенная? Bouwmeester D., Pan J.-W., Mattle K., Eibl M., Weinfurter H., Zeilinger A. Experimental quantum teleporting // Nature. 1997. Vol. 3901. 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. Мгновенно, да? А про скорость света вы слышали? 24

25 слайд
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 25

26 слайд
?Отправитель Получатель Нарушитель 26 Неизмененный оригиналСовершенная копия Оригинал Классическая информация Квантовая информация   Несовершенная копия Оригинал Испорченный оригиналНарушитель Нарушитель 26

27 слайд
Пример протокола квантовой криптографии Штука, которая испускает фотоны (ослабленный лазер) Одинаковые штуки, которыми можно изменить параметр фотона (Модуляторы)Линия связи (Оптическое волокно или атмосфера) Штука, которая регистрирует совпадения (Счётчик фотонов) 27

28 слайд
Получение «квантового» ключа 01 1000011101010101… 28

29 слайд
Два поляризационных базиса Выбирается случайно Выбирается случайно Выбирается случайно Получатель производит измерения в одном из двух базисовНарушитель не знает правильный базис и может только пытаться угадать его, внося ошибкиПротокол BB84 с кодированием по поляризации 29

30 слайд
Первая установка квантовой криптографии (1984) Авторы: Жиль Брассард и Чарльз Беннетт Дальность передачи ключа: 32,5 см! 30

31 слайд
Квантовые сети сегодня 200 1 – США 2009 – Китай 2003 – Европейский союз 2014 – Россия и Швейцария 2008 – Япония 2018 – Южная Корея 31

32 слайд
2004: Первое использование квантовых коммуникаций в банке  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 режиме2004 - Н.В. : В развитых странах запущены квантовые сетиВехи развития квантовых сетей  Линия была организована между ратушей и отделением Bank Austria Creditanstalt в г. Вена, Австрия 322007: 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 Источник : пресс-релизы в интернете201 6 : Китай запускает Micius , первый спутник квантовой связи

33 слайд
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. 33 Технологические барьеры при внедрении КРК 33

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

35 слайд
Низкая скорость квантовых ключей Решение: КРК для обновления ключей в СКЗИ Так можно сделать «квантовый телефон» и «квантовую видеоконференцию»

36 слайд
Отсутствие повторителей и усилителей. Решение: доверенные узлы-ретрансляторы Альтернатива: сети КРК с оптическими переключателями (для малых дистанций) или квантовые повторители (для больших дистанций), но технология ещё не готова. 36ККШ Отправителя СКЗИ ККС ВРК ККШ Получателя СКЗИ ККС ВРК ДПУ ДПУ ДПУ КК КК КК КК Защищенный пользовательский трафик 36

37 слайд
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! 37