Квантовое шифрование стало реальностью

Исследователи из Университета Рочестера вышли за рамки теории, показав, что зашифрованные сообщения, которые невозможно взломать, могут быть отправлены с ключом, который гораздо короче, чем само сообщение – такое было сделано впервые. Если коротко – квантовое шифрование стало реальностью.

Раньше зашифрованные сообщения передавались с помощью двоичной системы математика Клода Шеннона (считается «отцом теории информации»), которая обеспечивала безопасность при соблюдении трех условий: ключ является случайным, используется только один раз, и по длине – не меньше самого сообщения.

Затем профессор квантовой информатики Массачусетского технологического института Сет Ллойд придумал квантовый замок – метод шифрования, при котором используют фотоны для передачи сообщений. Двоичная система позволяет заложить только две позиции в каждый бит информации (вкл и выкл), в то время как фотонные волны можно изменять многими способами: менять угол наклона, длину волны, размер амплитуды. Поскольку фотон имеет больше переменных, — и есть фундаментальная неопределенность, когда дело доходит до квантовых измерений — квантовый ключ для шифрования и расшифровки сообщения может быть короче, чем само сообщение.

Однако квантовый замок оставался только теорией до настоящего момента, когда ученые университета Рочестера разработали квантовую машину, способную превратить теорию в реальность.

Давайте предположим, что Элис хочет послать зашифрованное сообщение Бобу

Давайте предположим, что Элис хочет послать зашифрованное сообщение Бобу. Она использует машину, чтобы генерировать фотоны, которые проходят через свободное пространство и пространственный модулятор света (ПМС), изменяющий свойства отдельных фотонов (например, амплитуду, наклон) для более тщательного кодирования сообщений. ПМС делает еще одну вещь: он искажает формы фотонов случайным образом, так что волновой фронт перестает быть плоским и уже не имеет четко выраженной направленности. Элис и Боб оба знают ключ, поэтому Боб может использовать свой собственный модулятор света для выравнивания волнового фронта, переориентации фотонов и придания сообщения его первоначального вида – то есть для его расшифровки.

Вместе с изменением формы фотонов ученые использовали принцип неопределенности, который гласит, что чем больше мы знаем об одном свойстве частицы, тем меньше – о другом. Благодаря этому исследователям удалось надежно закодировать шесть битов классической информации, используя только один бит ключа – это и есть квантовый замок в действии.

По словам разработчиков, пока прибор не дает 100% гарантии безопасности из-за потери фотонов. Но в перспективе это может стать самым надежным способом шифрования данных. Любое воздействие на квантовую систему меняет ее, рушит заложенное изначально сообщение. Таким образом, у хакера есть только одна попытка, чтобы угадать шифр, а это практически невозможно, так как для каждого фотона существует бесконечное число вариантов кодирования.