Формирование квантовой криптографии как науки

1. Введение
2. Основная часть
* Квантовая связь
* Криптография









Введение

Формирование квантовой криптографии как науки началось с исследования С. Визнера.  Поскольку методы классической криптографии не удовлетворяли растущие требования пользователей среди которых увеличение скорости, уровня безопасности и защищенности всех сетевых транзакций. Громоздкие и не всегда надежные алгоритмы основаны на законах математики уже не могли решить поставленные задачи. Еще одна проблема касалась области компьютерных технологий: мощность и скорость вычислений ограничивалась законом Мура и мечта о суперкомпьютере оставалась мечтой.
Поставленную проблему решили два выдающихся и талантливых ученых, последователи Визнера и создатели квантовой криптографии - Ч. Беннет и Ж. Бассард.
Идея квантовой криптографии является новой и революционной.            Ч. Беннет и Ж. Бассард отвергли идею создания алгоритмов на основе математических догм и решили создать новую отрасль криптографии основанную на несокрушимых физических законах. Как известно, любой математический алгоритм защиты можно разрушить с помощью другого математического инструмента или методом грубой силы (brute force) и большой мощности. Против законов физики никакой панацеи нет.
Беннет и Бассард предлагают применять для передачи сигналов частицы света - фотоны. Идея использования световых импульсов, в то время, была новаторской. Оптоволоконные технологии входили в стадию расцвета и всегда пользовались спросом у пользователей сети Интернет. Ученые предложили применять не только ансамбли квантов света, а также единичные носители - фотоны.



КВАНТОВАЯ СВЯЗЬ
Квантовая связь - это совокупность методов для передачи квантовой информации, т. е. информации, закодированной в квантовых состояниях (КС), из одной пространственной точки в другую. Носителями квантовой информации являются квантовые системы, которые могут находиться  в  различных  квантовых состояниях.
Обмен информацией между удалёнными пользователями происходит с учётом типа   КС, которые,  в   отличие от классических состояний, могут быть неортогональными и перепутанными (сцепленными). Кодирование классической информации в неортогональные КС даёт возможность сопровождать каждое сообщение собственным секретным ключом, т. е. разрешить одну из основных проблем классической криптографии - безусловно секретное распределение ключей. Свойство перепутанности КС позволяет обеспечить доставку двух идентичных последовательностей битов двум удалённым пользователям с гарантией, что информация, содержащаяся в них, недоступна третьей стороне. И в первом, и во втором случае абсолютная секретность передаваемых данных обеспечивается не вычислительными и техническими возможностями легитимных пользователей и потенциального перехватчика, а законами природы, основанными на линейности и унитарности квантовых преобразований и на неопределенностей соотношениях (смотри Квантовая криптография).
Наиболее подходящими квантовыми системами, используемыми для передачи КС на большие расстояния, являются фотоны. Они распространяются со скоростью света, позволяют кодировать информацию в частотных, фазовых, амплитудных, поляризационных и временных переменных. К тому же использование фотонов как носителей информации позволяет применять ряд технологических достижений в области классических телекоммуникаций - оптические волоконные линии связи, всевозможные модуляторы и преобразователи оптических сигналов.
Состояния фотонов, в которых кодируется информация, выбираются из числа степеней свободы электромагнитного поля, которые могут быть непрерывными и дискретными. Непрерывными степенями свободы обладают квантовые системы с большой (в пределе - бесконечной) размерностью гильбертова пространства, например квадратурные амплитуды какой-либо моды квантованного электромагнитного поля или коллективные состояния ансамбля атомных систем. Перепутанные состояния систем с непрерывными переменными реализуются за счёт использования сжатых состояний света, причём сжатие квадратурных квантовых флуктуаций происходит в результате нелинейных оптических процессов.
Для систем с дискретными переменными размерность гильбертова пространства конечна. Простейшей системой такого типа является двухуровневая система, которая может быть реализована, например, на поляризационных степенях свободы фотона. В состояниях двухуровневой системы физически реализуется квантовый бит информации, называемый кубитом . Протоколы квантовой связи на основе кубитов (под протоколами понимают последовательность действий, приводящих к решению задачи) являются наиболее разработанными.

Перепутанные состояния пар фотонов генерируются в процессе спонтанного параметрического рассеяния (СПР) света. В зависимости от режима СПР перепутывание происходит между разными степенями свободы фотонов. Различают пространственно-поляризационные, частотно-поляризационные, время-энергетические и другие типы перепутанных состояний. В процессе вынужденного параметрического рассеяния генерируются сжатые состояния света - аналог перепутанных состояний при больших интенсивностях излучения.
Среда, в которой распространяются КС, представляет собой волоконно-оптические линии связи или открытое пространство. Стандартные волоконно-оптические линии связи изготавливаются из плавленого кварца и имеют минимальные потери на длинах волн 1,3 мкм и 1,55 мкм. Если каналом связи является открытое пространство, то минимальные потери происходят на длине волны 0,8 мкм и в области 4-10 мкм. Именно на этих длинах волн генерируются оптические КС в зависимости от типа линии связи.

Квантовые связи различают по числу квантовых систем, вовлечённых в кодирование квантовой информации. При однофотонной квантовой связи информация кодируется в состояниях единичных фотонов. При двухфотонной квантовой связи для дистанционного приготовления нужного состояния используется перепутывание пары фотонов. Трёхфотонная квантовая связь применяется для передачи однофотонного КС без непосредственной связи между двумя пространственно-временными точками за счёт квантовой телепортации. Квантовая телепортация - способ передачи произвольных (заранее неизвестных) квантовых состояний из одной точки в другую, используя перепутанные состояния, распределённые между этими двумя точками, и обмен классическими данными между ними. При телепортации одного кубита используют два бита классической информации. Четырёхфотонная квантовая связь применяется для телепортации перепутывания или квантового обмена перепутыванием. Этот тип квантовой связи очень важен для создания квантовых ретрансляторов и квантовых повторителей (ретранслятор + квантовая память). Развитие квантовой связи перспективно через низкоорбитальные спутники.
Расстояние, на котором гарантируется абсолютно секретная передача информации, ограничивается наличием темновых отсчётов детекторов, неидеальностью источников однофотонных состояний, потерями в линиях связи. Скорость передачи ограничена частотной полосой используемых электронных компонентов, быстродействием и паразитными эффектами в детекторах. Для устранения этих недостатков используются более качественные оборудование, материалы и новейшие технологии, а также разрабатываются новые протоколы. Например, в квантовой криптографии предлагается использовать не кубиты, а системы с более высокой размерностью - кудиты. Наиболее важные протоколы квантовой связи: квантовая телепортация, обмен перепутыванием (телепортация перепутывания), квантовая плотная кодировка, квантовое исправление ошибок, квантовая криптография и др.



Криптография
Криптогра?фия - наука о методах обеспечения конфиденциальности  и аутентичности  информации.
Изначально криптография изучала методы шифрования информации — обратимого преобразования открытого (исходного) текста на основе секретного алгоритма и/или ключа в шифрованный текст . Традиционная криптография образует раздел симметричных криптосистем, в которых шифрование и расшифрование проводится с использованием одного и того же секретного ключа. Помимо этого раздела современная криптография включает в себя асимметричные криптосистемы, системы электронной цифровой подписи (ЭЦП), хеш-функции, управление ключами, получение скрытой информации, квантовую криптографию.
Криптография не занимается: защитой от обмана, подкупа или шантажа законных абонентов, кражи ключей и других угроз информации, возникающих в защищенных системах передачи данных.
Криптография — одна из старейших наук, ее история насчитывает несколько тысяч лет.
Цель криптографической системы заключается в том, чтобы зашифровать осмысленный исходный текст, получив в результате совершенно бессмысленный на взгляд шифрованный текст (шифртекст, криптограмма). Получатель, которому он предназначен, должен быть способен расшифровать (говорят также "дешифровать") этот шифртекст, восстановив, таким образом, соответствующий ему открытый текст. Криптография предполагает наличие трех компонентов: данных, ключа и криптографического преобразования.
Шифрование - преобразовательный процесс: исходный текст, который носит также название открытого текста, заменяется шифрованным текстом.
Дешифрование - обратный шифрованию процесс. На основе ключа шифрованный текст преобразуется в исходный.
Ключ - информация, необходимая для беспрепятственного шифрования и дешифрования текстов.
Считается, что криптографическое преобразование известно всем, но, не зная ключа, с помощью которого пользователь закрыл смысл сообщения от любопытных глаз, требуется потратить невообразимо много усилий на восстановление текста сообщения. 
Раскрытием криптосистемы называется результат работы криптоаналитика, приводящий к возможности эффективного раскрытия любого, зашифрованного с помощью данной криптосистемы, открытого текста. Степень неспособности криптосистемы к раскрытию называется ее стойкостью.
Вопрос надёжности систем ЗИ - очень сложный. Дело в том, что не существует надёжных тестов, позволяющих убедиться в том, что информация защищена достаточно надёжно. Во-первых, криптография обладает той особенностью, что на "вскрытие" шифра зачастую нужно затратить на несколько порядков больше средств, чем на его создание. Следовательно тестовые испытания системы криптозащиты не всегда возможны. Во-вторых, многократные неудачные попытки преодоления защиты вовсе не означают, что следующая попытка не окажется успешной. Не исключён случай, когда профессионалы долго, но безуспешно бились над шифром, а некий новичок применил нестандартный подход - и шифр дался ему легко.
В результате такой плохой доказуемости надёжности средств ЗИ на рынке очень много продуктов, о надёжности которых невозможно достоверно судить. Естественно, их разработчики расхваливают на все лады своё произведение, но доказать его качество не могут, а часто это и невозможно в принципе. Как правило, недоказуемость надёжности сопровождается ещё и тем, что алгоритм шифрования держится в секрете.
На первый взгляд, секретность алгоритма служит дополнительному обеспечению надёжности шифра. Это аргумент, рассчитанный на дилетантов. На самом деле, если алгоритм известен разработчикам, он уже не может считаться секретным, если только пользователь и разработчик - не одно лицо. К тому же, если вследствие некомпетентности или ошибок разработчика алгоритм оказался нестойким, его секретность не позволит проверить его независимым экспертам. Нестойкость алгоритма обнаружится только когда он будет уже взломан, а то и вообще не обнаружится, ибо противник не спешит хвастаться своими успехами.
Поэтому криптограф должен руководствоваться правилом, впервые сформулированным голландцем Керкхоффом: стойкость шифра должна определяться только секретностью ключа. Иными словами, правило Керкхоффа состоит в том, что весь механизм шифрования, кроме значения секретного ключа априори считается известным противнику.
Другое дело, что возможен метод ЗИ (строго говоря, не относящийся к криптографии), когда скрывается не алгоритм шифровки, а сам факт того, что сообщение содержит зашифрованную (скрытую в нём) информацию. Такой приём правильнее назвать маскировкой информации. 


.......................