5.4 Понятие о квантовой криптографии
Технология квантовой криптографии опирается на принципиальную особенность поведения квантовой системы - невозможно одновременно измерить один параметр системы, не исказив другой. Попытка измерения взаимосвязанных параметров в квантовой системе вносит в неё нарушения, и полученная информация в результате такого измерения определяется принимаемой стороной, как дезинформация. Благодаря этому возможно построение каналов передачи данных, защищённых от подслушивания: получатель всегда сможет определить, не перехвачена ли информация, и при этом положительном ответе повторить передачу с другим ключом. Отправитель кодирует отправляемые данные, задавая определённые квантовые состояния, а получатель регистрирует эти состояния. Затем получатель и отправитель совместно обсуждают результаты наблюдений. В итоге можно быть уверенным, что переданная и принятая кодовые последовательности тождественны. Обсуждение результатов касаются ошибок, внесённых шумами или злоумышленником, и ни в малейшей степени не раскрывает содержимого сообщения.
В 1984 г. Чарльз Беннет из IBM и Жиль Брассар из Монреальского университета предположили, что фотоны могут быть использованы в криптографии для получения фундаментально защищённого канала. Для представления нулей и единиц они решили взять фотоны, поляризованные в различных направлениях, и предложили простую схему квантового распределения ключа шифрования, названную ими ВВ84. В 1991 г. идея была развита Экертом. Эта схема использует квантовый канал, по которому участники защищённого сеанса связи (Алиса и Боб) обмениваются сообщениями, передавая их в виде поляризованных фотонов.
Квантовая криптография обеспечивает абсолютно защищённое распределение ключа, поскольку, в отличие от классической криптографии, она основана на законах физики, а не на том факте, что для успешного прослушивания потребовались бы огромные вычислительные мощности.
Квантовое распределение ключа начинается с пересылки одиночного или перепутанных квантов между Алисой и Бобом. Подслушивание с физической точки зрения основано на серии экспериментов, которые подслушивающий агент Ева выполняет на носителях информации, в данном случае – на пересылаемых квантах. Согласно законам квантовой физики любое измерение, выполняемое Евой, неизбежно меняет состояние передаваемых квантов, и Алиса и Боб могут это выяснить в последующей открытой связи. Таким образом, основные составляющие квантового распределения ключа таковы: квантовый канал для обмена квантами и так называемый открытый канал, который используется, чтобы проверить, искажено ли сообщение через квантовый канал, рис. 5.2.
Любой открытый канал можно просматривать кому угодно, однако, при этом невозможно изменять информацию, пересылаемую через такой канал.
Во время пересылки ключ либо закодирован с использованием заданного набора неортогональных квантовых состояний одиночной частицы, либо он получается из заданного набора измерений, выполняемых на перепутанных частицах после пересылки (во время пересылки ключ ещё даже не существует).