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量子暗号について少し

量子コンピューターと関連技術は最近、より重要になっています。 この分野の研究は何十年もの間止まっておらず、多くの革命的な成果が明らかです。 量子暗号はその1つです。

ウラジミール・クラサビン「量子暗号」


この記事は、量子暗号のトピックに関する一連の記事と翻訳のプロローグです。



実際、最近、「量子コンピューター」、「量子コンピューティング」、そしてもちろん「量子暗号」などの概念を耳にすることが多くなっています。



そして、最初の2つの概念ですべてが明確な場合、「量子暗号」-正確な言葉遣いを持っているが、霧の中でハリネズミのように暗くて完全に明確ではない概念がほとんどの人に残っているという概念。



ただし、このトピックの分析に直接進む前に、基本的な概念を紹介します。
暗号化は、機密性（部外者による情報の読み取りが不可能）、データの整合性（慎重に変更する情報の不可能性）、認証（著者の信頼性またはオブジェクトの他のプロパティの検証）、および否認の不可能性を保証する方法の科学です。



量子物理学は、量子力学および量子場システムとそれらの運動の法則を研究する理論物理学の分野です。 量子物理学の基本法則は、量子力学と場の量子論の枠組みで研究されており、物理学の他の分野にも適用されています。



量子暗号は、量子物理学の原理に基づいて通信を保護する方法です。 情報の機密性を確保するために数学的手法を使用する従来の暗号とは異なり、量子暗号は物理学に焦点を当てており、量子力学のオブジェクトを使用して情報が転送される場合を考慮しています。



直交性は、導入されたスカラー積による線形空間の垂直性の一般化である概念です。



量子ビットエラーレート（QBER） -量子エラーのレベル。


量子暗号は若い方向ですが、その異常さと複雑さのためにゆっくりと発展しています。 正式な観点から見ると、これは、量子粒子の物理学ほど数学モデルに基づいているわけではないため、言葉の意味での暗号化ではありません。



その主な機能であると同時に、任意の量子システムの機能は、時間の経過とともにシステムの状態を開くことが不可能であるため、最初の測定中に、システムは状態を可能な非直交値の1つに変更します。 とりわけ、1982年にWutters、Zurek、およびDieksによって定式化された「クローン禁止定理」があります。これは、抜け穴、つまり不正確なコピーの作成がありますが、任意の未知の量子状態の完全なコピーを作成することは不可能であると言います。 これを行うには、元のシステムをより大きな補助システムと相互作用させ、システム全体の単一変換を実行する必要があります。その結果、より大きなシステムのいくつかのコンポーネントが元の近似コピーになります。



データ転送の基本



画像






複雑で理解できないスキームを与えないために、物理学と幾何学の混合に頼ります。



情報キャリアとして、ほとんどの場合、単一またはペアの結合光子が使用されます。 値0/1は、光子の偏光の異なる方向によってエンコードされます。 送信時には、ランダムに選択された2つまたは3つの非直交ベースのうちの1つが使用されます。 したがって、受信者が正しい基準を選択できた場合にのみ、入力信号を正しく処理することができます。そうでない場合、測定の結果は不確実であると見なされます。



ハッカーが転送が行われる量子チャネルへのアクセスを取得しようとすると、受信者と同様に、ベースを選択する際に誤ってしまいます。 これにより、たとえば、直接または従来の暗号化手法を使用した暗号化チャネルを介して事前に合意したいくつかの開発テキストによると、検証中に交換当事者が検出するデータの歪みにつながります。



期待と現実



理想的なシステムを使用している場合、データの傍受は不可能であり、交換参加者によって即座に検出されます。 ただし、実際のシステムにアクセスする場合、すべてがはるかに平凡になります。



次の2つの機能が表示されます。





これらの機能についてもう少し説明します。



間違った、またはより正確には、ビットの歪みは、主に2つの理由で発生します。 最初の理由は 、データ送信に使用される機器の欠陥である私です 。2番目の理由は、暗号解読者またはハッカーの介入です。

最初の理由の解決策は、明らかに量子ビット誤り率です。



量子ビットエラーレートは量子エラーのレベルであり、かなり洗練された式を使用して計算されます。



QBER = "p_f +（p_d * n * q * ∑（f_r * t_l）/ 2）*μ"


どこで：
p_f：間違った「クリック」の確率（1-2％）

p_d：誤った光子信号の確率：

n：検出数

q：位相= 1/2; 分極= 1

Σ：検出器の効率

f_r：繰り返し率

p_l：データレート（距離が大きいほど小さくなります）

µ：光パルスの減衰。



2番目の機能について言えば、すべてのシステムで信号の減衰があることに言及する価値があります。 そして、現在使用されているデータ伝送の方法において、この問題はさまざまな増幅方法によって解決されます。 量子チャネルの場合、現時点で達成される最大速度は75 Kbpsですが、失われた光子のレベルはほぼ50％に達しました。 公平に言えば、よく知られているデータによると、わずか5 kbit / sの速度での最小伝送損失は0.5％です。



したがって、次の結論を導き出すことができます。



  1. 理想的には、量子暗号の方法で保護されたチャネルは、少なくとも現在知られている方法でクラックすることはほとんど不可能ですが、実際には、システムの安定性はその最も弱いリンクの安定性によって決定されるという規則に従っていますが、私たちは反対を確信しています;



  2. 量子暗号は発展しており、非常に迅速ですが、残念ながら、実践は常に理論に遅れをとっていません。 そして結果として、3番目の結論が続きます。



  3. BB84、B92などのプロトコルを使用して現在作成されているシステムは、攻撃を受けやすく、本質的に十分な耐久性を提供しません。


もちろん言うでしょう：



「しかし、結局のところ、E91およびLo05プロトコルはどうなるのでしょうか。」 また、BB84、B92とは根本的に異なります。

「はい、まだ1つのことがありますが、...」



しかし、それについては次の記事で詳しく説明します。


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