Книга: Золотой билет

Квантовая криптография

Квантовая криптография

Большинство рассмотренных в предыдущей главе алгоритмов шифрования базируются на предположении, что задача факторизации является вычислительно трудной. Если же под рукой у вас имеется квантовый компьютер, то любой из этих шифров взламывается алгоритмом Шора, раскладывающим числа на множители. Конечно, пока это только фантазия, которая, однако, имеет все шансы превратиться в реальность. Для защиты от квантовых криптографических атак можно было бы попытаться разработать новые протоколы шифрования, основанные на особо трудоемких задачах, не укладывающихся в «любимые» квантовыми компьютерами алгебраические структуры. Однако ученые придумали другой способ: шифрование при помощи квантовой механики.

Возможность копировать данные воспринимается нами как должное. Функции копирования и вставки сейчас есть почти в каждой программе. Мы можем сохранить один и тот же файл в разных папках и на разных машинах, можем создать резервную копию данных на жестком диске или в облаке. Иногда все эти многочисленные экземпляры нам даже мешают – очень трудно, к примеру, удалить свои персональные данные и электронный адрес так, чтобы о них больше не осталось ни единого упоминания.

А вот квантовые биты копированию не поддаются. Ведь чтобы скопировать кубит, его нужно хотя бы частично измерить, т. е. выполнить наблюдение, которое сразу превратит его в обычный бит с двумя значениями. Предположим, Джордж отсылает Гарри кубит информации, а Эрик его перехватывает. Если Эрик попытается скопировать или прочитать кубит, тот сразу же примет вид обычного бита. Безопасность обеспечена, вот только для организации переписки этого явно недостаточно: ведь когда Гарри начнет читать сообщение, он тоже увидит лишь обычный бит.

В 1979 году в Пуэрто-Рико проходила важнейшая международная конференция по проблемам теоретической информатики – IEEE Symposium on Foundations of Computer Science. Среди участников был Жиль Брассард из Монреальского университета. Когда он после очередного заседания плескался в океане, его разыскал Чарльз Беннет. Знакомство вылилось в плодотворное сотрудничество; вместе ученые придумали, как при помощи квантовых битов можно создавать системы шифрования с доказуемой криптостойкостью. Допустим, Джордж отсылает Гарри длинную последовательность кубитов, содержащую секретный ключ для шифрования дальнейшей переписки. Любой злоумышленник, перехвативший это сообщение, разрушит все кубиты, как только попытается их прочитать или скопировать. Беннет и Брассард разработали метод, позволяющий при помощи дополнительного обмена информацией по квантовым и классическим каналам либо успешно передать секретный ключ, либо установить, что сообщение было скомпрометировано (в этом случае можно попытаться еще раз).

Впрочем, у нового протокола имелись некоторые ограничения. При передаче данных возникали ошибки; из-за этого число кубитов приходилось увеличивать, и в результате злоумышленники получали шанс похитить часть данных, оставшись незамеченными. В целях борьбы с подобными проблемами исходный вариант протокола неоднократно дорабатывался и усложнялся.

В отличие от случая с квантовыми вычислениями, в протоколе Беннета–Брассарда квантовая запутанность не применяется. Вероятно, поэтому квантовые криптосистемы средней мощности уже реализованы. В Лос-Аламос, к примеру, сообщения успешно отправлялись по оптоволоконному кабелю почти на 150 километров, а между Канарскими островами – по воздушному каналу примерно на 140 километров. Не исключено, что когда-нибудь квантовые технологии позволят нам пересылать не поддающиеся взлому сообщения даже через спутник.

Почему бы нам всем уже сейчас не перейти на квантовое шифрование? Дело в том, что на текущий момент квантовые криптосистемы находятся на стадии тестирования; они дорого стоят, часто ошибаются, да и скорость передачи данных у них не велика. Слабое место в них – не сами шифры: главную опасность представляют «дыры» в реализации. Вероятность разработать здесь «дырявый» протокол ничуть не меньше (а может, даже больше), чем в случае с обычными криптосистемами. Кроме того, неясно, как обеспечить передачу данных через интернет, где информация по пути к адресату многократно перекидывается от одного сервера к другому. Впрочем, пока современные системы шифрования могут спать спокойно: вряд ли в ближайшем будущем появятся квантовые или еще какие-нибудь хитрые компьютеры, способные эффективно разложить число на множители.

Оглавление книги