Kvantumkulcs-elosztás

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt hozzászólók, és jelentősen eltérhet a 2016. december 9-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 30 szerkesztést igényelnek .

A kvantumkulcs-elosztás egy olyan kulcsátviteli módszer , amely kvantumjelenségeket használ a biztonságos kommunikáció garantálására. Ez a módszer lehetővé teszi két nyitott kommunikációs csatornán keresztül összekapcsolódó fél számára, hogy közös véletlenszerű kulcsot hozzanak létre, amelyet csak ők ismernek, és ezzel titkosítsák és visszafejtsék az üzeneteket.

A kvantumkulcs-elosztás fontos és egyedülálló tulajdonsága, hogy képes észlelni egy harmadik fél jelenlétét, aki a kulcsról információt akar szerezni. Itt a kvantummechanika egy alapvető aspektusát használjuk: a kvantumrendszer mérési folyamata megsérti azt. Egy harmadik félnek, aki megpróbálja megszerezni a kulcsot, meg kell mérnie a kommunikációs csatornán továbbított kvantumállapotokat , ami ezek megváltozásához és anomália megjelenéséhez vezet. A kvantum-szuperpozíció , a kvantum-összefonódás és az adatok kvantumállapotú továbbítása segítségével olyan kommunikációs csatorna valósítható meg, amely észleli az anomáliákat. Ha az anomáliák száma egy bizonyos küszöb alatt van, akkor létrejön egy kulcs, ami garantálja a biztonságot (erről a harmadik fél nem tud), ellenkező esetben a titkos kulcs nem jön létre és a kapcsolat megszakad.

Történelem

A kvantumkriptográfiát először Steven Wiesner javasolta . A Columbia Egyetemen az 1970-es évek elején bevezette a kvantumkonjugált kódolás fogalmát. Alapvető dolgozatát az IEEE Information Theory folyóirat elutasította , mivel az általa megfogalmazott feltevések inkább fantasztikusnak, mint tudományosnak tűntek. 1983-ban azonban "Conjugate coding" című munkája megjelent a Sigact News - ban, és nagy dicséretben részesült a tudományos közösségben. [egy]

Kvantumkulcscsere

A kvantumátvitel magában foglalja az információk kvantumállapotokba vagy qubitekbe történő titkosítását , szemben a klasszikus átvitellel, amely biteket használ . A kvantumállapotokhoz általában fotonokat használnak. A kvantumkulcs-elosztás a kvantumállapotok bizonyos tulajdonságait használja a biztonság érdekében. Különféle megközelítések léteznek a kvantumkulcs-elosztásra, de ezek két fő kategóriába sorolhatók az általuk használt tulajdonságoktól függően.

Előkészítés és mérési jegyzőkönyv A fizikával ellentétben a mérés a kvantumfizika szerves része. Egy ismeretlen kvantumállapot mérése valamilyen módon megváltoztatja azt. Ezt kvantumindeterminizmusnak nevezik, és olyan eredmények hátterében áll, mint a Heisenberg-féle bizonytalansági elv és a klónozás tilalma . Ez felhasználható a kapcsolat esetleges lehallgatásának észlelésére, és ami még fontosabb, az elfogott információ mennyiségének kiszámítására. Összefonódás alapú protokollok Két (vagy több) különálló objektum kvantumállapotai oly módon kapcsolhatók össze, hogy nem egyedi objektumként, hanem kombinált kvantumállapotként írhatók le. Ezt összefonódásnak nevezik, és azt jelenti, hogy az egyik tárgyon végzett mérések hatással vannak a másikra. Ha egy zavaros tárgypárt osztanak meg két résztvevő között, akkor bármely objektum elfogása megváltoztatja a rendszer egészét, felfedi harmadik felek jelenlétét (és az általuk kapott információ mennyiségét).

BB84 protokoll

A protokoll négy foton kvantumállapotot használ, a polarizációs vektor irányát, amelyek közül az egyiket a továbbított bit függvényében választjuk ki: vagy for , vagy for . Egy pár megfelel a + alapnak és tartozik hozzá. A másik pár rendre , és a bázishoz tartozik . $90^{\circ }$ $135^{\circ }$ $egy$ $45^{\circ }$ $0^{\circ }$ $0$ $|0(+)\rangle$ $|1(+)\rangle$ $|0(\times )\rangle$ $|1(\times )\rangle$ $\szor$

A rendszer kvantumállapotai a következőképpen írhatók le : $|0_{\times }\rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}(|0_{+}\rangle +|1_{+}\rangle )$ $|1_{+}\rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}(|0_{\times }\rangle -|1_{\times }\rangle )$

Kvantumkulcs kialakulása

Alice bináris jel	0	egy	0	egy
Alice polarizációs kód	$\felfelé nyíl$	$\jobb nyíl$	$\nearrow$	$\searrow$
Bob észlelése	$+$	$+$	$+$	$+$
Bob bináris jele	0	egy	?	?

Így annak eredményeként, hogy Bob a kulcsot interferencia és torzítás nélkül továbbítja, a fotonok átlagosan 50%-a megfelelően lesz regisztrálva.

Előnyök :

Garantált kulcstitok 50 km-es távolságig

Hátrányok :

Komplex megvalósítás

Protokoll B92

A protokoll két különböző irányban polarizált fotonokat használ a nullák és egyesek ( és , ) ábrázolására. Az irány mentén polarizált fotonok egyetlen bitről, az irány mentén polarizált fotonok egy nulla bitről hordoznak információt. $|\phi _{0}\rangle$ $|\phi _{1}\rangle$ $\langle \phi _{0}|\phi _{1}\rangle \neq 0$ $+45^{\circ }$ $0^{\circ }$

Előnyök :

Kétféle polarizációjú fotonok használata (négy helyett)
A megvalósítási séma egyszerűsége

Hátrányok ::

Kevésbé hatékony
Garantált kulcstitok 20 km-es távolságig

Protokoll E91

1991 -ben Arthur Eckert azt javasolta, hogy a kvantumkulcs-elosztás kvantum-összefonódással is megvalósítható. A résztvevők, Alice és Bob mellett van egy összegabalyodott részecskegenerátor, amely részecskéket küld Alice-nek és Bobnak. Az Eckert-protokoll pontosabban határozza meg a valós helyzetet, mivel a nagy távolságra történő átvitel korlátai miatt az adásban egy központi forrás, például műhold vesz részt, amely több vevőhöz továbbít. Számos fizikai mennyiség használható magyarázatra, de Eckert szingulett állapotokat használ . Ahelyett, hogy megbízott volna a forrásban, amely Eve kezében lehet, Eckert úgy állította be a protokollt, hogy a forrás szingulett állapotú spinnel rendelkező részecskepárokat bocsát ki . Alice-nek és Bobnak ki kell választania egyet a három tengely közül, amelyen mérni kell a bemeneti részecskéket. [2] ${\frac {1}{2))$ $\phi ={\frac {1}{\sqrt {2}}}(|\uparrow \downarrow \rangle -|\downarrow \uparrow \rangle )$

A kvantumkulcs-elosztási rendszer vizsgálata

A kvantumkriptográfiai rendszerek tanulmányozásakor és a sugárzás előremenő jelterjedésű kvantumcsatornában történő terjedésének elemzésekor elegendő a hullámoptika matematikai apparátusát használni, de visszirányú jelterjedésnél a leíráshoz a kvantumoptika segítségével kell továbbhaladni. berendezést, mivel a visszirányú terjedés során a jel egyfoton szintre csillapodik. Az optikai impulzus alakjának változása annak a pillanatnak a valószínűségének újraelosztásához vezet, amikor a foton megjelenik a detektor bemenetén. Az impulzus alakja a foton egy időintervallumon belüli észlelésének valószínűségi sűrűségfüggvényét jeleníti meg. A foton detektálásának valószínűségét a [t1;t2] intervallumban a valószínűségi sűrűségeloszlás függvény integrálja reprezentálja ebben az intervallumban, figyelembe véve a száloptikai út csillapítási együtthatóját. A maximális hatékonyság elérése érdekében lehetőség van a fotonészlelési intervallum megváltoztatására, hogy csökkentsük az ebbe az intervallumba eső sötétáram-impulzusok számát. [3]

Jegyzetek

↑ Wiesner S. Konjugált kódolás // Sigact News. - 1983. - T. 15 , 1. sz . - S. 78-88 .
↑ Ilic N. , p. 2.
↑ Golubchikov, 2009 , p. 157.

Irodalom

Tudományos cikkek

Kronberg D. A., Ozhigov Yu. I., Chernyavsky A. Yu. Kvantum kriptográfia. oktatóanyag. . - M. V. Lomonoszovról elnevezett Moszkvai Állami Egyetem. - S. 112 . Az eredetiből archiválva : 2016. november 30.
Golubchikov D. M., Rumyantsev K. E. Kvantum kriptográfia: alapelvek, protokollok, rendszerek . - S. 37 . Az eredetiből archiválva : 2016. november 30.
Cobourne S. Quantum Key Distribution – Protokollok és alkalmazások . – Biztonság a Royal Holloway-nél, a londoni egyetemen. - S. 92 .
Ilic N. Az Ekert Protokoll . - S. 4 .
Gupta DL, Singh AK Quantum Key Distribution Protocols: A Review . - S. 9 .
Golubchikov D. M. A kvantumkulcs-elosztó rendszerek kutatásának és értékelésének módszerei, Izvestiya SFedU. Műszaki tudomány. - 2009. - S. 154-159 . Az eredetiből archiválva: 2016. december 20.

kvantuminformatika

Általános fogalmak

kvantumkommunikáció

kvantumcsatorna
- kvantumhálózat
kvantumkriptográfia
- Kvantumkulcs-elosztás
A kvantumenergia teleportálása
kvantum teleportáció
Ultra-sűrű kvantumkódolás
LOCC
kvantum desztilláció

Kvantum algoritmusok

kvantum szimulátor
Deutsch-Yozhi algoritmus
Bernstein-Wazirani algoritmus
Grover algoritmusa
Kvantum Fourier transzformáció
Shor algoritmusa
Simon problémája
Kvantumfázis-becslési algoritmus
Kvantumszámítási algoritmus
kvantumlágyítás
Algoritmikus hűtés
Kvantumalgoritmus lineáris egyenletrendszer megoldására
Amplitúdó erősítés

Kvantumkomplexitás elmélet

Turing kvantumgép
EQP
BQP
QMA
PostBQP
QIP

Kvantum számítástechnikai modellek

kvantumkör
- kvantumkapu
Egyoldalas kvantumszámítógép
- fürt
Adiabatikus kvantumszámítás
Topológiai kvantumszámítógép

Dekoherencia megelőzés

Kvantumhibák korrekciója
Stabilizációs kódok
Stabilizációs formalizmus
Kvantumkonvolúciós kód

Fizikai megvalósítások

kvantumoptika	Kavitációs kvantumelektrodinamika Kontúrkvantumelektrodinamika Lineáris optikán alapuló kvantumszámítás KLM protokoll Bozonikus mintavétel
szuperhideg atomok	Elnyelt ion kvantumszámítógép Optikai rács
hát alapú	Mágneses magrezonancián alapuló kvantumszámítógép Kane kvantumszámítógépe Veszteséges kvantumszámítógép - DiVincenzo NV központ
Szupravezető kvantumszámítógépek	töltés qubit streaming qubit Fázis qubit Transmon