Komunikacja kwantowa

Jednym z największych zagrożeń dla naszego cyfrowego świata jest podatność komunikacji elektronicznej na zagrożenia i luki bezpieczeństwa. Hakerzy wymyślają sposoby na kradzież naszych tożsamości, środków finansowych i prywatnych danych.

Kryptografia to gałąź wiedzy zajmująca się zabezpieczaniem informacji przed niepowołanym dostępem. Kryptografia pozwala nam na wymianę informacji na duże odległości, ale pozostaje nadal tajna przed niezamierzonymi podsłuchiwaczami.

Większość nowoczesnych metod kryptograficznych opiera się na dobrze znanych problemach matematycznych takich jak faktoryzacja, które są trudne do rozwiązania przez klasyczne superkomputery. Możliwość pojawienia się w przyszłości komputerów kwantowych odpornych na błędy i szumy wymaga od nas ponownego przeanalizowania sposobu, w jaki zabezpieczamy nasze systemy informatyczne.

W ogólnym ujęciu komunikacja kwantowa polega na kodowaniu i przesyłaniu wiadomości wykorzystując różne konfiguracje cząstek subatomowych i ich parametry fizyczne. W pełnej konfiguracji komunikacji kwantowej przesyłamy kubity zamiast klasycznych bitów. Aktualnie w metodach komunikacji tego typu wykorzystuje się transmisję fotonów i ich zakodowanych stanów kwantowych. Takie podejście i sama koncepcja komunikacji kwantowej umożliwiają zupełnie nowe podejście do idei komunikacji oraz jest to sposób na przesyłanie kubitów pomiędzy infrastrukturą obliczeń kwantowych co umożliwia skalowanie takiej infrastruktury obliczeń.

Realizacja koncepcji komunikacji kwantowej wymaga opracowania między innymi kluczowych metod efektywnego generowania par splątanych fotonów, ich dystrybucji na większe odległości co wymaga opracowania tzw. regeneratorów kwantowych. Kluczowym elementem takiego regeneratora jest tzw. pamięć kwantowa. Komunikacja kwantowa oferuje potencjalnie wiele nowych aplikacji, ale jednym z głównych i pierwszych proponowanych takich zastosowań jest wspomniana bezpieczna transmisja danych gdzie wykorzystując zasady badane przez mechanikę kwantową oferujemy integralność przesyłanego sygnału, danych i usług. Jedną z proponowanych takich metod jest tzw. kwantowa dystrybucja klucza.

Kwantowa dystrybucja klucza QKD

Kwantowa dystrybucja klucza QKD (ang. Quantum Key Distribution) jest nową formą kryptografii opartej na zasadach mechaniki kwantowej i utrzymuje nasze informacje całkowicie bezpieczne, nawet przed atakiem komputera kwantowego.

Głównym zadaniem QKD jest stworzenie współdzielonego tajnego klucza pomiędzy dwoma stronami, który jest doskonale zabezpieczony. W najprostszej wersji jedna strona wysyła kubity w określonych stanach kwantowych do drugiej strony, która je obserwuje lub mierzy. Osoba próbująca podsłuchać musi również dokonać pomiary tych kubitów, co jak wiemy pozostawia wykrywalny ślad. Wynika to z zasad mechaniki kwantowej, która mówi, że nie można dokonać pomiaru stanu kwantowego bez jego zakłócenia.

Jeśli kubity zostały zaburzone, obie strony wiedzą, że należy zrezygnować z wymiany i usunąć klucz. W przeciwnym razie strony mogą użyć klucza do wymiany bezpiecznej komunikacji. Warto zaznaczyć, iż już dziś rozwija się również dziedzina nauki zajmująca się algorytmami kryptograficznymi, które mają być odporne na złamanie za pomocą komputerów kwantowych – kryptografia postkwantowa.

Technologia QKD wykorzystywana jest do zabezpieczania informacji przesyłanej łączami sieci komputerowych na coraz większych odległościach. W ramach sieci naukowej PIONIER udało się zestawić i zabezpieczyć połączenie QKD na odcinku ponad 380 km pomiędzy Poznaniem i Warszawą w maju 2022 roku.

Kryptografia postkwantowa

Kryptografia postkwantowa jest podejściem komplementarnym do QKD i skupia się na rozwijaniu nowych klasycznych metod kryptograficznych opartych na problemach matematycznych, które uważa się za trudne do rozwiązania nawet dla komputerów kwantowych.

Na szczęście równolegle do rozwoju kwantowych komputerów, pojawiają się też kwantowe szyfry (np. szyfr Vernama) oraz protokoły kryptograficzne (np. BB-84), których odporność na różnego rodzaju ataki jest zagwarantowana przez kwantowe własności cząstek.