Kvantová kryptografie – zprávy z přední linie  
V jediném lednovém čísle Physical Review Letters [ref0] se, jistě ne náhodou, objevily hned tři články popisující experimentální úsilí tří skupin z výkladní skříně kvantové teorie informace -- kvantové distribuce klíče (QKD). Řekněme si nejprve, co měly všechny experimenty společného a pak se stručně zastavíme u jednoho z nich. Nebudeme opakovat, co QKD je. Motivovaný čtenář jistě ví, případně z mnoha webových zdrojů [ref1] nastuduje.

Použitým protokolem pro QKD byl ve všech případech nejstarší a nejznámější zvaný BB84. Zdrojem fotonů byly ve všech případech tzv. slabé koherentní pulsy, t.j. zeslabený výstup z laseru. Zeslabením máme na mysli posunutí maxima v rozdělení počtu fotonů z výstupu laseru na úroveň desetin fotonů (typicky <n> ~ 0.1). Toto rozdělení má poissonovský charakter a právě toto je zodpovědné za jeden z velmi úspěšných útoků na tento typ QKD schémat – útok dělením počtu fotonů. S jistou pravděpodobností laser vygeneruje dva a více fotonů ve stejném stavu a Eva (tradičně útočník) může detekovat příchod vícefotonových příspěvků a jeden (resp. více) fotonů uschovat. Později po odposlechu komunikace na veřejné lince jí to umožňuje zjistit finální bit klíče.

Čím ztrátovější linka je, tím snazší je pro Evu útočit, protože v extrémním případě potlačí všechny jednofotonové stavy (nakopírovat si neznámý kvantový stav nemůže a tak jej raději podusí) a z vícefotonových stavů uždibuje. Důvodem je, že v rámci bezpečnosti se předpokládají skoro magické schopnosti Evy. Trochu méně dramaticky tím máme na mysli, že Eva má k dispozici takovou technologie, kterou nám známá fyzika dovoluje. Již jsme viděli její schopnost měřit počet fotonů a mezi další z předpokladů patří možnost nahradit ztrátovou linku bezztrátovým kvantovým kanálem. Může tak zrekonstruovat statistiku ztrátového přenosového kanálu a přitom získat kompletní informaci o klíči z vícefotonových příspěvků. Avšak existuje jedna metoda, která sice nezabrání Evinným zlovolným aktivitám, ale umožňuje je detekovat. Jde o tzv. návnadové stavy (decoy states). Stručně řečeno, odesílatel (Alice) přidává do signálu stavy s vyšší intenzitou (středním počtem fotonů) a ty slouží jako návnada pro Evu. Ta totiž neví jaké stavy jsou vějičkou a útočí na všechno, čímž mění detekční statistiku u příjemce (Bob), která by jinak bez její přítomnosti měla být shodná jak pro signální tak i pro návnadové stavy. Toto vylepšení má za následek dramatické zvýšení dosahu bezpečného QKD na vzdálenosti přes stovku kilometrů, jak se právě podařilo v publikovaných pracech. Další možností, jak zabránit tomuto typu útoku, by bylo použít opravdový jednofotonový zdroj (fotonové dělo), ale účinnost současných prototypů je nízká anebo spojena s příliš komplikovaným provozem. Poznamenejme, že pokud hovoříme o jednotlivých fotonech, nemáme na mysli jednotlivé polní excitace (Fockovy stavy), neboť díky jejich prostorové a časové nelokalizaci nesou nekonečně energie a jsou tedy nefyzikální. Spíše jde o superpozici jednotlivých fotonů s různou energií s rozumnou obálkovou funkcí a tak lze zadefinovat „jednofotonový“ kreační operátor. Tolik ke společným znakům všech tří experimentů. Nyní pár detailů k tomu realizovanému vídeňskou skupinou.

 

 


První kroky ke globální QKD síti

 

Zvětšit obrázek
Obr.1: QKD mezi ostrovy Tenerife a La Palma.

Divácky asi nejatraktivnější je QKD uskutečněný volným prostorem mezi Kanárskými ostrovy Tenerife a La Palma na vzdálenost 144 km [obr1] (obrázek se vztahuje k experimentu konanému stejnou skupinou o něco dříve s entanglovanými páry, v zde popisovaném experimentu použili obyčejné laserové diody produkující výše zmíněné slabé koherentní pulsy). Alice s vysílacím teleskopem se nacházela na Nordic Optical Telescope na observatoři Roque de los Muchachos ve výšce 2400 m.n.m. Bob přijímal signál na Optical Ground Station patřící ESA s jednometrovým teleskopem [obr2].

Zvětšit obrázek
Obr.2: Jednometrový teleskop (Optical Ground Station, ESA)

Autoři implementovali automatický sledovací systém stavu atmosféry pro optimální nastavení parametrů přístrojů. Z obrázku je zřejmé, že pro přenos qubitů (kvantových bitů) bylo použito polarizační kódování s pasivní detekcí na Bobově straně. Finální rychlost generace klíče, t.j. po skončení klasického postprocessingu, dosáhla hodnoty 42 bitů/sec. Připomeňme, že QKD nemá v současnosti za cíl nahradit rychlé symetrické šifry, ale pouze bezpečně předat klíč pro další použití klasickou kryptografií. Na to je tato rychlost dostačující.

 

Nejcennějším výsledkem je kromě dosažené vzdálenosti fakt, že to je další krůček ke globálnímu QKD za pomocí nízko letících satelitů (LEO). Jejich výška začíná kolem 400 km, ale vzhledem k nějakému pevnému bodu na Zemi může být vzdálenost pochopitelně vyšší. Ačkoliv minimální vzdálenost je více než třikrát vyšší než u popisovaného experimentu, neznamená to nutně větší problémy s kvalitou přenosu. Největším nepřítelem QKD ve volném prostoru je totiž atmosféra s jevy jako absorpce a rozptyl světla a turbulence atmosféry (přenos v tomto experimentu probíhal na 850 nm, další vhodná vlnová délka je kolem 1550 nm). S rostoucí výškou (řekněme nad 10 km) tyto jevy přestávají být problémem.

 

 

Zvětšit obrázek
Obr.3: Zdroj fotonů na družici je pro bezpečnost QKD mezi vzdálenými místy výhodou

Návrhů na QKD mezi dvěma vzdálenými místy na Zemi je několik, ale z hlediska bezpečnosti je nejlepší, pokud je na družici umístěný zdroj entanglovaných párů výsílající po jednom fotonu k oběma místům na Zemi [ilustračně obr3 s ISS].
Dá se ukázat, že pokud má někdo k satelitu přístup, nemůže díky kvantové povaze entanglovaného páru distribuci klíče kompromitovat, resp. lze tomu zabránit na Aličině a Bobově straně (a není potřeba doposud technologicky nedosažitelné konstrukce kvantového opakovače). Pokud k tomu již neoficiálně nedošlo, lze podobné experimenty očekávat v příštích pěti letech. Technologie je již téměř připravená. Kromě, jistě pro leckoho lákavého bezpečného přenosu klíče mají tyto experimenty další cíle, kterými jsou např. opět o něco přesnější testy obecné teorie relativity či fundamentálních otázek kvantové mechaniky za pomocí “hraní si” s entanglovanými stavy v zakřiveném prostoročasu Země a/nebo na velkých vzdálenostních škálách.

 

Prameny:

ref0
DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.010503
DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.010504
DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.010505

 

ref1
http://www.nist.gov/public_affairs/releases/quantumkeys_background.htm
http://www.perimeterinstitute.ca/personal/dgottesman/QKD.html
http://www.r4k.net/Wth-slides-quantum_cryptography-an_introduction-screen.pdf
http://www.idquantique.com/products/files/vectis-understanding.pdf


 

Datum: 12.01.2007 08:36
Tisk článku

Související články:

Co opravdu říká supernova SN1987A k rychlosti světla     Autor: Vladimír Wagner (05.07.2014)
Přelomové pozorování magnetických monopólů ve kvantovém oblaku     Autor: Stanislav Mihulka (30.01.2014)
Kočka Šklíba novým kvantovým paradoxem     Autor: Stanislav Mihulka (28.11.2013)
Kvantové jámy jako účinné sběrače energie     Autor: Stanislav Mihulka (29.10.2013)
Nobelova cena za fyziku pro Peter W. Higgse a Francoise Englerta     Autor: Vladimír Wagner (08.10.2013)



Diskuze:

Oficielni odposlech satelitniho QKD

jkotek,2007-01-16 17:46:05

Dovolil bych si nesouhlasit s tim, ze ten, kdo ma k satelitu pristup, nemuze QKD odposlouchavat (respektive entanglovane pary fotonu).
Toto plati pouze za predpokladu, ze nelze fyzicky vymenit ci modifikovat retez zarizeni od prvotni tvorby fotonovych paru az po vnejsi cocku na satelitu.
Jinak lze zarizeni produkujici fotonove pary nahradit generatorem nahodnych cisel a produkovat misto 2 quantove svazanych fotonu dva kvantove nezavisle fotony se zvolenymi parametry a ty podstrcit Alici a Bobovi.
Pokud neudala Eva chybu ve vlastnostech obou fotonu, tak Alice a Bob nemuze zjistit, ze se jedna o kvantove nezavisle fotony a Eva ma jejich kompletni zaznam.

Odpovědět


ne

kamil,2007-01-17 02:27:11

protoze Alice a Bob jsou propojeni klasickou linkou kterou lze odposlouchavat ale ne podvrhnout a v ramci protokolu obetuji nejtere (qu)bity za ucelem korelacniho mereni a odhaleni Evy. Eva se muze snazit jak chce ale kvantovou korelaci s dvema nekorelovanymi foton nenasimuluje. Jak by napriklad zajistila perfektni korelaci mereni u singletu, kdyz se o merici bazi rozhodne po distribuci paru a nezavisle na Eve a vysledky si sdeli klasicky? V kvantovem pripade je mereni bez chyb, v simulacnim pokusu lze Evu detekovat.

Odpovědět

Pěkné...asi

Zdenek,2007-01-12 09:00:46

Asi docela pěkný článek, ale nešel by napsat trošinku srozumitelněji pro prosté lidi? Stačilo by vysvětlit základní pojmy a o co se jedná (QKD = kvantová distribuce klíče, je pro mě příliš ale příliš nesrozumitelné:-)

Odpovědět


Treba pomuze

Jirka,2007-01-12 09:57:48

http://en.wikipedia.org/wiki/BB84

Odpovědět



Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace