Принципы работы квантовой криптографии

Шифрование с одноразовым квантовым шифр-блокнотом

В 1984 году Беннет совместно с ЖилемБрассардом из Монреальского университета доработали идею Визнера для передачи зашифрованных сообщений с помощью квантовых технологий. Они предложили использовать квантовые каналы для обмена одноразовыми ключами шифрования, причём длина таких ключей должна была быть равной длине сообщения. Это позволяет передавать зашифрованные данные в режиме одноразового шифр-блокнота. Такой способ шифрования обеспечивает математически доказанную криптостойкость, то есть устойчив к взлому при неограниченных вычислительных возможностях взломщика.

В качестве квантовой частицы для передачи информации решили использовать фотон. Его можно было легко получить с помощью имеющегося оборудования (лампы, лазеры и т.п.), и его параметры вполне поддавались измерению. Но для передачи информации требовался способ кодирования, позволяющий получить нули и единицы.

В отличие от обычной электроники, где нули и единицы кодируются в виде разных потенциалов сигнала либо в виде импульсов определённого направления, в квантовых системах такое кодирование невозможно. Требовался параметр фотона, который можно задать при его генерации, а затем с нужной степенью достоверности измерить. Таким параметром оказалась поляризация.

Отличить горизонтальный фотон от фотона, поляризованного под углом 45 градусов, невозможно.
Эти свойства фотона легли в основу протокола квантового распределения ключей BB84, разработанного Чарльзом Беннетом и ЖилемБрассардом. Информация при его применении передаётся через поляризованные фотоны, в качестве нуля или единицы используется направление поляризации. Защищённость системы гарантирует принцип неопределённости Гейзенберга, в соответствии с которым две квантовые величины не могут быть одновременно измерены с необходимой точностью: чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить вторую. Таким образом, если кто-то попробует перехватить ключ во время его передачи, легитимные пользователи узнают об этом.

В 1991 году Артур Экерт разработал алгоритм E91, в котором квантовое распределение ключей производилось с использованием квантовой запутанности — явления, при котором квантовые состояния двух или большего количества фотонов оказываются взаимозависимыми. При этом если один из пары связанных фотонов имеет значение 0, то второй однозначно будет равен 1, и наоборот.

Разберёмся, как генерируется ключ шифрования в квантовой криптосистеме. Будем считать, что отправителя информации зовут Алисой, получателя — Бобом, а подслушать их разговор пытается Ева.