Китай запутал атомы на рекордном расстоянии
Чтобы взломать секретные коды, защищающие конфиденциальную информацию, нужно решить математические задачи, которые еще недавно считались невыполнимыми. Однако все больше растут опасения, что мощный квантовый компьютер сможет легко справиться с ними, поставив под угрозу банковские данные и государственные тайны.
К счастью, у физиков есть способ бороться с этой угрозой при помощи самой квантовой физики: теоретически абсолютно надежный протокол шифрования, основанный на магии запутанных квантовых частиц. Этот метод, известный как аппаратно независимое квантовое распределение ключей (DI-QKD), устраняет уязвимости существующих подходов, оставлявших аппаратную часть открытой для взлома. Китайские ученые продемонстрировали эту технологию в масштабах крупного города — прорыв, который может проложить путь к безопасному квантовому интернету, доверие к которому будет само собой разумеющимся.
«Эта новая работа — колоссальное технологическое достижение, — уверен профессор Ренато Реннер из Швейцарской высшей технической школы в Цюрихе. — Сейчас мы выходим на уровень, где это действительно начнет приносить практическую пользу».
Большая часть криптографии основана на простом маневре: сообщение шифруется с использованием секретного кода, для расшифровки которого нужен специальный ключ. Сложность заключается в том, чтобы злоумышленник не смог вычислить этот ключ или перехватить его при передаче. Например, ключи в одной из популярных схем шифрования основаны на простых множителях больших чисел, и их подбор требует колоссальных усилий. Однако такие вычисления могут оказаться пустяковым делом для крупных квантовых компьютеров, которые некоторые компании обещают создать к концу десятилетия.
«Для сферы IT-безопасности это, по сути, уже завтрашний день», — констатирует Грегуар Риборди, генеральный директор швейцарской компании по квантовой кибербезопасности ID Quantique.
Квантовое распределение ключей
Одно из возможных решений — QKD, когда ключи кодируются в квантовом состоянии частиц, например, фотонов. Поскольку квантовые состояния невозможно скопировать и они разрушаются при измерении, попытки прослушивания становятся чрезвычайно сложными и легко обнаруживаются. ID Quantite уже внедрила QKD в квантовых сетях протяженностью в сотни километров для защиты таких данных, как результаты правительственных выборов и банковские переводы. Но даже QKD неидеален. Если аппаратура для передачи частиц не безупречна, взлом все же возможен.
DI-QKD устраняет необходимость доверять аппаратной части, используя другое свойство квантовой механики — запутанность, которая обеспечивает тесную взаимосвязь между свойствами удаленных друг от друга квантовых частиц. Запутанность по своей природе моногамна: если две частицы максимально запутаны, ни одна третья частица не может присоединиться к этой связи. Если отправитель и получатель создают запутанную пару частиц в сети, они могут провести тесты, подтверждающие, что свойства частиц взаимосвязаны гораздо сильнее, чем это могло бы произойти случайно. Такое «рукопожатие» гарантирует, что они — единственные участники канала. Дополнительные измерения запутанных частиц позволяют сформировать ключ, который можно передавать с полной уверенностью, что его никто не расшифрует.
«Это не та система, которую смогут взломать через 5, 10 или 50 лет. Вместо игр в кошки-мышки... у нас появился метод, где жульничество невозможно в принципе», — говорит физик Трейси Нортап из Инсбрукского университета.
В 2022 году команда из Великобритании смогла создать и передать ключ по методу DI-QKD, используя два разделенных иона, которые были запутаны и удерживались лазерами. Однако им удалось поддерживать связь лишь на расстоянии около двух метров, после чего она обрывалась. Теперь ученые из Научно-технического университета Китая расширили эту технологию до практически полезных дистанций.
Результаты их экспериментов увидели свет на страницах журнала Science. Собрав данные за 26 дней, исследователи показали, что обладают статистической возможностью установить и передать ключ на расстоянии 11 километров. Теоретически же — при условии сбора данных в течение примерно 23 лет — они могли бы передать ключ на 100 километров.
Переломный момент
«Для меня это действительно переломный момент, потому что теперь есть практическое доказательство работоспособности метода. С теоретической точки зрения, большинство вопросов, которые меня волновали, по сути, решены», — подчеркивает Реннер, участвовавший в британском эксперименте. Теперь он переходит к изучению других тем — например, черных дыр.
Скачок в развитии стал возможен благодаря нескольким инженерным усовершенствованиям. На каждом конце оптоволоконной линии, свернутой в катушку, исследователи захватили атом рубидия и стабилизировали его с помощью лазеров. Эти атомы стимулировали к излучению одиночных фотонов, что привело к их запутыванию. Наконец, ученые сместили длину волны фотонов в телекоммуникационный диапазон, чтобы передать по оптоволокну.
«После стольких лет усилий... это уже не теоретическая идея. Мы невероятно рады», — признается профессор Пань Цзяньвэй, руководивший исследованием.
Риборди предостерегает, что DI-QKD по-прежнему сложен и дорог, и до практического применения пройдет как минимум десятилетие. «Между лабораторной демонстрацией и готовым продуктом — огромная разница», — напоминает он.
Нортап считает этот прорыв критически важным шагом к ее видению глобального квантового интернета. Она работает над созданием квантового аналога усилителя сигнала, или «повторителя», который теоретически может объединять такие DI-QKD-соединения в цепочки протяженностью в тысячи километров. Тем временем Пань с коллегами планирует реализацию DI-QKD с использованием спутников в космосе.
Квантовый интернет обещает мир, где никому не придется полагаться на чистую добрую волю для установления доверия, говорит Нортап. «Я вижу в этом возможность использовать фундаментальные аспекты квантовой физики так, чтобы сделать нашу жизнь лучше», — подытожила она.
