В теории так называемая квантовая криптография обеспечивает полностью безопасный способ послать информацию. На практике, возможно нет. Но теперь физики продемонстрировали, как закрыть технологическую лазейку, которая, возможно, оставила тайны открытыми для соглядатаев.Предположим, что Элис хочет послать Бобу секретное сообщение.
В обычной криптографии она может преобразовать сообщение в двоичные числа — т.е. вереница 0s и 1 с — и затем зашифровать его путем объединения его математически с другой вереницей случайного 0s и 1 с, служащая ключом. Боб тогда использует этот ключ, чтобы отменить борьбу и прочитать сообщение. Конечно, чтобы заставить схему работать, Элис должна передать ключ к Бобу, не позволяя ему быть перехваченной соглядатаем, Ив.
Квантовая криптография вводит поворот — буквально. Элис встречает Боба ключ путем кодирования его в единственных фотонах, которые могут быть поляризованы горизонтально, чтобы сигнализировать 0 или вертикально сигнализировать 1. Если бы это было всеми, которые было к нему, то Ив соглядатай могла также прочитать ключ и затем передать фотоны Бобу. Но Элис может также беспорядочно вращать свой передатчик для отправки фотонов, поляризованных по диагонали в плюс или минус 45 ° часть времени. Когда ее передатчик не выровнен к приемнику Боба, ключевая передача становится неоднозначной: Например, если Элис пошлет фотон, поляризованный в 45 °, и Бобу установили его датчик в горизонтальную-или-вертикальную ориентацию, то согласно правилам квантовой механики, Боб зарегистрирует горизонтальный щелчок в 50%-й вероятности или вертикальный щелчок с 50%-й вероятностью.
Это не проблема, как после передачи потока фотонов, Элис и Боб могут сказать друг другу, для которых фотонов их устройства были выровнены и используют только тех для определения ключа.Все это скручивание не допускает Ив.
Ив не знает, какие ориентации Элис и Боб используют, и если она не угадает, то она нарушит фотоны обнаружимым способом. Например, предположите для определенного фотона и Элис и Боба, установили их приборы в горизонтально-вертикальной ориентации, но Ив имеет, ее устанавливают в 45 °. Затем согласно квантовой механике, ее измерение фотона изменит свое государство и оставит поляризованным в плюс или минус 45 °. Это тогда разрушит совершенное соглашение, что Элис и Боб должны видеть.
Позже, когда они обмениваются мнениями, они определят ошибки и поймут, что кто-то вмешался в передачу.Однако в 2010 международная бригада исследователей показала, что Ив могла взломать систему путем эксплуатации слабости в так называемых фотодиодах лавины (APDs), используемый для обнаружения отдельных фотонов. Проблема состоит в том, что APDs реагируют по-другому на интенсивный пульс света, чем они делают к единственным фотонам, так, чтобы энергия пульса превысила порог для регистрации хита.
В результате вся Ив должна сделать, перехватить единственные фотоны, сделать ее измерения лучшего предположения из их поляризации и отослать ее ответы на Боба как новый, более яркий пульс. Если бы она угадала и измерила фотоны со своим прибором в той же ориентации как Элис и Боб, то прибор Боба интерпретировал бы яркий пульс точно так же, как единственный фотон.
Но если бы она не угадала, так, чтобы она послала Бобу яркий пульс, поляризация которого была в беспорядке относительно ориентации его прибора, то тогда прибор Боба фактически разделил бы его на два тусклого пульса. Ни один из них не был бы достаточно силен для создания огня датчиков Боба. Таким образом, Боб никогда не замечал бы события, на которых Ив испортила поляризацию фотонов. И он не заметил бы потери пульса, поскольку много фотонов никогда не делает ее от Элис Бобу так или иначе из-за неэффективности датчика.
В прошлом году физик Хои-Квонг Ло в университете Торонто и коллегах утверждал, что нашел путь вокруг проблемы. В новом протоколе Элис и Боб начали бы создание квантового ключа путем отправки беспорядочно поляризованных сигналов Чарли, третьему лицу. Чарли измерил бы сигналы определить не их фактическую поляризацию, но только была ли поляризация под прямым углом.
Например, если бы Элис послала вертикальный сигнал, и Боб также послал вертикальный сигнал, то Чарли сигнализировал бы «нет». Но если бы Элис послала вертикальный сигнал, и Боб послал горизонтальный сигнал, то Чарли сигнализировал бы «да». Однажды Боб, которого услышали «да», он просто крутил бы свой сигнал на 90 ° для создания его тем же как Элис — и это сформирует квантовый ключ.
Уловка здесь – то, что Чарли просто сравнивает поляризацию фотонов, не определяя, каковы они, таким образом, не может быть никакого разделения фотонов и никаких сигналов полусилы. В результате никакое вмешательство Ив не осталось бы незамеченным. Даже если бы она смотрела на плечо Чарли, то она знала бы только, коррелировались ли сигналы Элис и Боба — никогда их фактические значения.Ло и коллеги просто представили их идею.
Теперь, в газетах в прессе в Physical Review Letters, две независимых группы физиков показали, что новый протокол работает. Вольфганг Титтель и коллеги в Университете Калгари в Канаде поместили датчик Чарли в Калгари главный кампус, сигнальная образующая Боба в лаборатории на расстоянии в 6 километров, и сигнальная образующая Элис в другой лаборатории на расстоянии в 12 километров. Несмотря на то, что у исследователей не было Боба и Элис, генерирующей случайные сигналы, поскольку действительно безопасная криптография требует, они действительно показывали, что сигнальное время и измерения могли быть выполнены по таким большим расстояниям. Между тем Цзян-Вэй Пэн в университете Науки и техники Китая в Хэфэе и коллег продемонстрировал протокол квантовой криптографии со случайными сигналами, хотя только в лаборатории.
Это означает, что квантовая криптография безопасна, в конце концов? Грегуар Риборди, генеральный директор швейцарского ID компании Quantique, делающий коммерческую квантовую криптографию, говорит, что практические системы уже в основном обошли лазейку ослепления путем непрерывной наладки датчиков, так, чтобы они всегда реагировали по-другому на приточные фотоны. Такая контрмера делает очень трудным для Ив мешать безопасности, потому что она должна была бы постоянно кроить свой сигнал яркого света.
Но Риборди добавляет, что демонстрация нового протокола Tittel и другими приветствуется для разработки будущих систем: “Короткий ответ – то, что это очень интересно — несмотря на то, что это еще не достаточно зрело для осуществления с практической точки зрения”.