Физики работают над квантовыми методами шифрования — они устойчивы к дешифровке квантовым компьютером
22.10.2021, 15:33 Исследователи из Университета Айовы изучали свойства фотонов, испускаемых твердыми телами. Их можно использовать для принципиально нового метода шифрования данных, основанного на цвете каждого испускаемого фотона. В частности, их интересует, как много фотонов, одновременно проходящих по оптоволоконному кабелю, не получится различить.
В будущем зашифрованная информация окажется под угрозой — квантовые компьютеры смогут быстро находить подходящий ключ шифрования. Поэтому ученые разрабатывают устойчивые к взлому «квантовые» коды.
На сегодняшний день мы в целом уверены в том, что операции, совершаемые нами в Интернете, безопасны и надежны — неважно, говорим мы об авторизации в почте или о совершении онлайн-покупок. Наши транзакции, персональные данные и любая другая информация защищена шифрованием. Информация кодируется с помощью ключа, на подбор которого уходит много времени даже у компьютеров.
Один из таких алгоритмов предполагает, что два простых, но очень длинных числа, перемножаются между собой. Это число и ещё одно в паре с ним — если говорить точно, то функция Эйлера от первого числа — дают открытый ключ шифрования, а другая пара, вычислить которую куда сложнее — закрытый ключ. Если известны оба ключа, расшифровать сообщение не составит труда — сообщение шифруется открытым ключом и дешифруется закрытым. Но если закрытого ключа нет, придется подбирать, из каких же простых чисел получили открытый ключ.
У обычных компьютеров на эту задачу уйдут десятилетия, но квантовые компьютеры способны решить её за минимальный срок из-за принципа их работы. Чтобы подготовиться к этой проблеме, исследователи работают над кодами, которые не получится взломать квантовыми компьютерами, ведь они основаны на распределении отдельных фотонов. Фотоны — это частички света, которые имеют определенные квантовые характеристики — поляризацию, спин. Между адресатом и адресантом эти характеристики являются общими — так получается своеобразный аналог ключа шифрования. Такое шифрование требует, чтобы фотоны имели одинаковый цвет — тогда их будет невозможно отличить друг от друга.
Ранее не проводился расчет, качественно описывающий флуктуации цвета в свете, испускаемого кубитами. Флуктуации, а именно отклонения в частоте фотона (которая однозначно задает цвет) приводят к шуму, который в свою очередь приводит к потере квантовой когерентности в самих кубитах. Благодаря когерентности квантовый компьютер в принципе существует —, а нарушение когерентности приведет к тому, что ответы алгоритма будут разниться от запуска к запуску с большей вероятности.
С точки зрения физики, декогеренция соответствует внесению информации о квантовом объекте в систему. Между квантовым объектом и окружающим миром возникает квантовая запутанность. Это можно проиллюстрировать знаменитым мысленным экспериментом Шрёдингера про кота: когерентное состояние состоит в том, что кот находится единовременно и жив, и мёртв (а значит, находится в суперпозиции состояний), а некогенентное состояние такую неопределенность снимает — мы вмешиваемся в систему, открывая коробку и проверяя состояние кота. Но исследователи сделали выводы о корректности такого метода шифрования на основании того, что декогеренция в их системе мала.
Исследование планируется к публикации в журнале PRX Quantum, его препринт доступен на arxiv.org.
В будущем зашифрованная информация окажется под угрозой — квантовые компьютеры смогут быстро находить подходящий ключ шифрования. Поэтому ученые разрабатывают устойчивые к взлому «квантовые» коды.
На сегодняшний день мы в целом уверены в том, что операции, совершаемые нами в Интернете, безопасны и надежны — неважно, говорим мы об авторизации в почте или о совершении онлайн-покупок. Наши транзакции, персональные данные и любая другая информация защищена шифрованием. Информация кодируется с помощью ключа, на подбор которого уходит много времени даже у компьютеров.
Один из таких алгоритмов предполагает, что два простых, но очень длинных числа, перемножаются между собой. Это число и ещё одно в паре с ним — если говорить точно, то функция Эйлера от первого числа — дают открытый ключ шифрования, а другая пара, вычислить которую куда сложнее — закрытый ключ. Если известны оба ключа, расшифровать сообщение не составит труда — сообщение шифруется открытым ключом и дешифруется закрытым. Но если закрытого ключа нет, придется подбирать, из каких же простых чисел получили открытый ключ.
У обычных компьютеров на эту задачу уйдут десятилетия, но квантовые компьютеры способны решить её за минимальный срок из-за принципа их работы. Чтобы подготовиться к этой проблеме, исследователи работают над кодами, которые не получится взломать квантовыми компьютерами, ведь они основаны на распределении отдельных фотонов. Фотоны — это частички света, которые имеют определенные квантовые характеристики — поляризацию, спин. Между адресатом и адресантом эти характеристики являются общими — так получается своеобразный аналог ключа шифрования. Такое шифрование требует, чтобы фотоны имели одинаковый цвет — тогда их будет невозможно отличить друг от друга.
Ранее не проводился расчет, качественно описывающий флуктуации цвета в свете, испускаемого кубитами. Флуктуации, а именно отклонения в частоте фотона (которая однозначно задает цвет) приводят к шуму, который в свою очередь приводит к потере квантовой когерентности в самих кубитах. Благодаря когерентности квантовый компьютер в принципе существует —, а нарушение когерентности приведет к тому, что ответы алгоритма будут разниться от запуска к запуску с большей вероятности.
С точки зрения физики, декогеренция соответствует внесению информации о квантовом объекте в систему. Между квантовым объектом и окружающим миром возникает квантовая запутанность. Это можно проиллюстрировать знаменитым мысленным экспериментом Шрёдингера про кота: когерентное состояние состоит в том, что кот находится единовременно и жив, и мёртв (а значит, находится в суперпозиции состояний), а некогенентное состояние такую неопределенность снимает — мы вмешиваемся в систему, открывая коробку и проверяя состояние кота. Но исследователи сделали выводы о корректности такого метода шифрования на основании того, что декогеренция в их системе мала.
Исследование планируется к публикации в журнале PRX Quantum, его препринт доступен на arxiv.org.
Ещё новости по теме:
18:20