Рубрикатор | ![]() |
![]() |
Статьи | ![]() |
![]() |
Роман ФИШМАН | 03 ноября 2020 |
Код Шpёдингeрa
Если вас заботит конфиденциальность личных данных, у нас плохая новость: с появлением квантовых компьютеров большинство существующих протоколов шифрования станут совершенно бесполезны.

Случиться это может уже в обозримой перспективе, и тогда защиту вашей информации смогут обеспечить лишь новые средства квантовой криптографии.
Каждому есть что скрывать. Один озабочен конфиденциальностью семейных фотографий, другой – тайной личной переписки, и уж, конечно, для всех важна безопасность деловых переговоров, финансовых транзакций, документов. Поэтому сегодня практически все данные для передачи шифруются, и посторонним не так просто получить доступ к ним. Информация кодируется ключом, без которого так и останется для злоумышленника бессмысленным набором символов. Но для того чтобы сообщение мог прочесть законный получатель, такой же ключ должен получить и он. Тут-то и начинаются проблемы. «Цифровой океан» поговорил с разработчиками из Российского квантового центра о том, как мы будем передавать друг другу ключи в ближайшем будущем.
Односторонний подход
В простейшем варианте секретный ключ можно записать на физический носитель и отправить с доверенным курьером или фельдъегерем. Так порой и поступают с информацией, которая нуждается в максимальном уровне защиты, – скажем, с военными или дипломатическими сводками. Однако на всех желающих никаких фельдъегерей не хватит. И на деле ключи обычно пересылают через публичные, открытые каналы связи. Впрочем, в РКЦ нас заверили, что современные криптографические приемы делают эту передачу вполне безопасной.
Возьмем, например, и умножим восемь на девять: вычислить результат этой операции не составит никакого труда. Но вот обратное действие – разложение на множители (факторизация) – требует куда больших усилий. «Такие односторонние математические функции можно сравнить с соединением красок: смешиваются они легко, а разделить их обратно практически невозможно. Выполнять ту же факторизацию приходится банальным перебором, причем с удлинением ключа необходимые для этого вычислительные мощности растут в геометрической прогрессии», – объяснил нам разработчик систем квантовой криптографии из РКЦ Вадим Родимин.
Односторонние функции позволяют надежно закодировать ключ и без лишних опасений передать его по открытому каналу связи. «Математика дает уверенность в том, что у всех злоумышленников мира не хватит машинного времени на то, чтобы перебрать все возможные варианты», – говорит Вадим. Недаром такое асимметричное шифрование используется в самых распространенных сегодня криптографических стандартах: RSA, DSS, ГОСТ 34.10–2018 и т. п. Благодаря им наши данные остаются в безопасности. По крайней мере пока.
Информационная бомба
Несмотря на свою почтенную древность, математика продолжает быстро развиваться, находя хитроумные алгоритмы, лазейки для упрощенного «взлома» односторонних функций. Параллельно этому растут и доступные вычислительные мощности. Не далее как в июне 2020 года в Японии запустили новый суперкомпьютер Fugaku с рекордной пиковой производительностью более 500 петафлопс (500 триллионов операций в секунду). Рано или поздно обе тенденции соединятся, и тогда расшифровка данных, закодированных с помощью односторонних функций, станет возможной.
Также большую тревогу вселяет стремительный прогресс в создании квантовых компьютеров, которые смогут применить уже существующие инструменты взлома. Например, предложенный еще в 1990-х годах алгоритм Шора позволяет проводить факторизацию почти так же быстро, как и умножение. Современные квантовые компьютеры продемонстрировали его реализацию на небольших числах, и не за горами системы, способные использовать такие алгоритмы в полную силу.
![]() Наш основатель Юрий Курочкин уже давно горел идеей коммерциализации квантовой криптографии. Так что когда «Газпромбанк» предложил Российскому квантовому центру реализовать совместный проект, Юра его и возглавил. Задача была прикладной, но все равно оставалась «научно нагруженной», что потребовало дополнительного финансирования. В 2015 году сформировался первый коллектив нашего стартапа. QRate стал «спин-оффом» РКЦ, объединив несколько десятков программистов, электронщиков, научных сотрудников. Разработка базовой технологии была завершена к 2017 году, когда нам удалось продемонстрировать в действии собственную промышленную установку квантового распределения ключей. Сегодня в QRate работает уже более 70 человек, готовятся новые проекты для различных государственных и коммерческих заказчиков. Квантовая физика оперирует отдельными субатомными частицами, такими как фотоны, кванты света. Как мы помним со школы, эти частицы одновременно проявляют и свойства волны. Например, фотону может соответствовать волна, колеблющаяся в определенной плоскости, которую называют плоскостью поляризации. Это позволяет использовать фотоны для кодирования информации: мы можем договориться, что горизонтально поляризованная частица будет означать 0, а вертикально – 1. Тогда отправителю останется переслать правильным образом поляризованные фотоны, а получателю – использовать светоделитель, чтобы их рассортировать. «Вертикальные» пройдут дальше, «горизонтальные» отразятся в сторону. Однако если фотон будет иметь неожиданную поляризацию, например диагональную, то результаты его измерений в тех же вертикально-горизонтальных плоскостях окажутся непредсказуемы. Они случайным образом укажут на вертикальную или горизонтальную поляризацию, а данные об исходном состоянии частицы будут утеряны. Еще в 1970 году Стивену Визнеру пришла в голову мысль, что это свойство можно использовать для создания совершенного протокола шифрования. В 1984 году Чарльз Беннет и Жиль Брассар из IBM впервые реализовали его идеи на практике. Вадим Родимин, участник проектов «Квантовые коммуникации» Российского квантового центра (резидент «Сколково»), разработчик, QRate |
«Квантовые компьютеры могут стать “информационной бомбой”, которая сметет защиту большинства привычных нам информационных сервисов», – продолжает Вадим Родимин. Недаром спецслужбы разных стран старательно накапливают зашифрованные данные из Сети в своих хранилищах. Американское Агентство национальной безопасности потратило порядка $1,5 млрд на возведение в штате Юта колоссального дата-центра, способного накапливать порядка эксабайта (миллиона гигабайтов) данных. Когда-нибудь, если понадобится, все они могут быть декодированы.
Квантовая теория
Однако существуют методы, позволяющие зашифровать сообщение еще надежнее. Например, можно сгенерировать ключ такой же длины, как и само сообщение, и «смешать» их бит за битом, так что декодировать результат будет невозможно в принципе, какими бы ни были наши вычислительные мощности.
«Невзламываемость подобных алгоритмов доказана математически, – говорит Вадим. – Все, что требуется для их применения, – безопасно переслать ключ получателю. Именно тут в дело вступает квантовая криптография, позволяя создавать и распределять секретные последовательности-ключи между отправителем и получателем».
Абсолютная защита
«Идея состоит в том, что отправитель должен пересылать фотоны, выбирая базовую плоскость (базис) для поляризации каждого из них случайно: либо прямую, либо диагональную, – объясняет Вадим Родимин. – Получатель измеряет эти частицы, тоже исходя из случайно заданных базисов. Если их выбор совпал, то поляризация будет установлена правильно, а если нет, то измерения дадут случайный результат». Чтобы понять, какие из измерений верны, отправитель и получатель обмениваются списками использованных базисов и сравнивают их. Измерения с несовпадающими базисами можно отбросить, получив «просеянный» ключ: случайную и одинаковую у обоих последовательность.
«Заметьте, что сам по себе этот ключ по каналу связи не передается: пересылаются лишь фотоны, а затем информация о базисах», – подчеркивает Вадим. Ну а если неизвестный злоумышленник сумеет вклиниться в линию связи, его вмешательство быстро будет замечено. Ведь взломщику придется перехватывать фотоны, измерять их поляризацию и отправлять новые частицы получателю. Не зная базисов, использованных отправителем, он будет регистрировать случайный результат примерно в половине случаев и отправит такие же «неправильные» фотоны дальше.
Это и позволит заметить его вмешательство: получателю и отправителю достаточно выбрать небольшие фрагменты уже «просеянного» ключа и сверить их друг с другом. Если взломщик перехватывал частицы и внес дополнительные ошибки, эти фрагменты не совпадут, несмотря на одинаковые базисы измерений. Невозможность незаметного перехвата делает квантовые линии связи почти абсолютно безопасными.

Квантовый практикум
Пока лидерами в реализации сетей связи с квантовым распределением ключей выступают США, Швейцария и, конечно, Китай, где действует самая протяженная из таких линий: более 2000 км от Пекина до Шанхая. Экспериментальные сети создаются и в России. Например, команда QRate уже реализовала опытные проекты квантовой связи для «Газпромбанка» и «Сбербанка». Также готовится запуск в интересах «Ростелекома», который планирует связать защищенной линией некоторые из своих дата-центров.
Вопреки ожиданиям, внешне квантовые криптографические системы мало отличаются от привычных компьютеров. И передатчик, готовящий фотоны, и измеряющий их приемник выглядят как небольшие черные коробки, установленные в стандартный системный блок. Поэтому системы квантовой криптографии, которые мы увидели в РКЦ, со стороны кажутся обыкновенными компьютерами, разве что с парой дополнительных блоков и нитками оптоволокна, по которым происходит пересылка фотонов.
Впрочем, даже в самом качественном волокне неизбежны потери отдельных частиц. Это ограничивает дальность пересылки фотонов расстоянием примерно в сотню километров. Поэтому линия между Пекином и Шанхаем представляет собой длинный пунктир из нескольких десятков доверенных узлов, которые обмениваются квантовыми ключами друг с другом как промежуточные отправители и получатели. По счастью, эти проблемы вполне преодолимы, ведь фотоны пересылать можно не только по оптоволокну, но и без проводов, лазерным лучом.
Выход в космос
В плотном воздухе лазерный луч быстро рассеивается, позволяя работать на дистанциях лишь около 10 км. Однако в верхних, намного более разреженных слоях атмосферы лазер может без критических потерь отправлять фотоны на сотни и даже тысячи километров. Тем более в космосе: если на орбите будет действовать небольшая флотилия «квантовых» спутников, они могут выступать доверенными узлами защищенной сети для обмена ключами в планетарных масштабах. Создание такой сети – уже не фантастика.
Запущенный в 2016 году китайский спутник Mozi сумел установить 7400-километровый квантовый канал связи между Пекином и Веной, а к 2030-му КНР и Европу должна связать постоянно действующая защищенная линия. Оборудование для манипуляций с фотонами становится все дешевле и компактнее. В РКЦ уже ведут работу над тем, чтобы разместить необходимую аппаратуру на спутнике микрокласса – всего из шести модулей CubeSat размером 10 х 10 х 10 см каждый. Когда-нибудь такие устройства обеспечат защищенной связью всех желающих. Было бы что скрывать.
Роман Фишман, редактор, «Цифровой океан»
Источник: «Цифровой океан»
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!