Да будет свет! Часть 3
Последняя статья из серии «Да будет свет!» о роли света в своей жизни. Мы уже рассказывали вам о человеке, которых занимается освещением города, и о тонкостях работы со светом в фотографии. В этой части — о конфиденциальности, даруемой нам силой квантовых коммуникаций, от лица сотрудника лаборатории ИТМО Романа Гончарова.
Многие слышали о корпускулярно-волновом дуа-лизме в оптике. Волновая теория света развивалась почти параллельно с корпускулярной и противоречила ей. Она основывалась на том, что свет ведет себя как электромагнитная волна. Например, от ее длины может зависеть цвет видимого нами света. Что касается цвета, Рене Декарт предполагал, что он может быть проявлением различных угловых скоростей вращения частиц света (раньше понятия «свет» и «цвет» строго разделяли). Нельзя не упомянуть эксперимент Ньютона с призмой, где он доказал, что белый свет — совокупность всех цветов. Ньютон, кстати, был приверженцем корпускулярной теории. Однако впоследствии именно волновая теория затмила все остальные, потому что физические явления теперь можно было объяснить средствами волновой оптики.
Роман Гончаров, аспирант, сотрудник лаборатории квантовых коммуникаций ИТМО
К началу XX века в определении света снова что-то пошло не так. Максу Планку удалось согласовать классическую физику с описанием температурно-зависимого электромагнитного излучения абсолютно черного тела, т. е. идеально поглощающего материала. А Эйнштейн предположил, что свет состоит из крошечных квантов (порций) энергии, равных по величине квантам в задаче, которую решил Макс Планк. Причем свет никогда не останавливается. Эти кванты позже были названы фотонами. Таким образом, корпускулярная и волновая теории света объединились в одну, и появилась квантовая механика.
Среди дисциплин, связанных со светом, я выделяю фотонику и квантовую оптику, которыми и занимаюсь. Для меня фотоника — это наука, изучающая генерацию и обнаружение света, а также манипуляцию им в форме фотонов. Квантовая оптика изучает применение квантовой механики к явлениям, связанным со светом и его взаимодействием с веществом. Я сосредоточился на квантовых коммуникациях — передаче информации при помощи квантовых оптических феноменов.
Фотография с абстрактным оптическим образом для отражения оптических или высокоскоростных интернет-технологий.
Квантовое распределение ключей, или просто КРК (от англ. quantum key distribution, QKD), — это самый популярный метод квантовой коммуникации, позволяющий распределить случайный секретный ключ между двумя и более пользователями путем передачи информации, закодированной в квантовых объектах (например, в тех же фотонах). Безопасность метода основана не на вычислительной сложности, а на законах квантовой механики, из-за чего он не может быть подвержен взлому даже в эпоху квантовых компьютеров. Классические алгоритмы шифрования основаны на сложности их взлома. Наличие квантового компьютера у злоумышленника может существенно ускорить этот процесс, а также изменить всю парадигму информационной безопасности. В квантовом случае работает теорема о запрете клонирования, которая не позволяет без последствий «украсть» фотоны из канала связи.
Таким образом, в смысле информационной безопасности КРК является областью квантовой криптографии. Важно, что речь не идет о передаче самой информации. Мы всего лишь хотим получить две одинаковые случайные последовательности у, например, двух пользователей (их еще называют Алиса и Боб, а злоумышленника — Евой), которыми они потом смогут распоряжаться. Это не прямое переложение классической криптографии на определенные алгоритмы, а квантовая защита для нее (способ передачи ключа). Но, помимо КРК, существуют еще протоколы квантовой цифровой подписи и квантового распределения секрета, которые по духу ближе к классическим аналогам.
Любая система квантовой защиты требует теоретического обоснования криптографической стойкости. Необходимо, используя методы квантовой теории информации, квантовой оптики и теории кодирования, доказать невозможность взлома такой системы любым известным способом. Этим я сам и занимаюсь, собственно говоря.
Портрет предоставлен собеседником, фото — unsplash.com
