Если верить руководству Российского квантового центра, только развитие квантовых технологий ведёт Россию к «правильному» импортозамещению и выведет её в лидеры мировой науки.
Чтобы узнать, как обстоят наши дела на «квантовой передовой», корреспондент «АН» встретился с учёными из группы квантовой криптографии физического факультета МГУ, где серьёзно занимаются исследованиями в области квантовых методов защиты информации.
Три шага – и всё секретно
Квантовая механика ответила на главный вопрос, который веками гложет всех шифровальщиков мира, – она доказала, что мы можем общаться друг с другом абсолютно секретно. Более того, она научила нас, как этого добиться. Оказывается, для этого нужно выполнить всего три условия:
– длина ключа, которым шифруется сообщение, должна быть не меньше, чем длина всего сообщения,
– сам ключ нужно выбрать из символов какого-нибудь алфавита совершенно случайным образом,
– и, наконец, этот ключ должен быть известен только пользователям, которые обмениваются сообщением, а использовать его можно только один раз.
В этом состоит открытие, которое независимо друг от друга сделали три крёстных отца квантового шифрования – американский криптограф Гилберт Вернам, основатель теории информации Клод Шеннон и наш академик Владимир Котельников, который признан во всём мире родоначальником цифровых технологий передачи данных.
Квантовая механика даёт гарантию, что, если выполнить все три условия, общение «кого надо» будет совершенно закрытым – такую систему шифрования нельзя взломать даже теоретически. А построить её, что приятно, можно довольно легко, даже «на коленках».
Курица и яйцо
Если два человека напишут на бумажке длинный ключ (например, много ноликов и единичек), а потом разъедутся хоть по разным полюсам, они легко смогут зашифровать какое-нибудь сообщение и обменяться им.
Но вот если после этого они захотят пообщаться ещё раз, им опять придётся обменяться секретным ключом. А как быть, если они находятся очень далеко друг от друга? Эта головная боль имеет собственное название: «проблема распределения ключа». И квантовая механика позволяет решить эту проблему очень красиво – так, что никому никуда не придётся ехать.
Дело в том, что квантовые состояния нельзя копировать – это доказано математически: любая попытка скопировать сигнал, несущий информацию, обязательно изменит его. И собеседники всегда сумеют такое возмущение обнаружить. Для этого у них есть надёжный способ узнать, сколько ошибок произошло при передаче сообщения: если их слишком много, значит, на линии есть прослушка, и следует принять меры.
Вспомним «Энигму» (это портативная шифровальная машина, использовавшаяся нацистами во время Второй мировой. – Прим. «АН») – там шифровальный ключ задавался однажды начальным положением ротора и дальше использовался всеми пользователями в течение какого-то времени. То есть фашисты, скажем, целую неделю шифровали все свои сообщения одним паролем. Поэтому если взломщикам «Энигмы» удавалось определить исходное положение ротора за два дня, они ещё целых пять дней могли потом читать все сообщения противника. Ясно, что абсолютно стойкой такую систему не назовёшь.
Абсолютно же стойкая система – и в криптографии это строго доказано – должна быть основана на шифровании при помощи одноразового блокнота.
Какая здесь есть проблема?
Допустим, некий Антон придумал ключ, который, он уверен, знают только он сам и ещё некий Борис. И с его помощью он зашифровал сообщение и послал его Борису. А потом они отбросили старый ключ, сделали новый и так далее.
Но вот вопрос: как им каждый раз передавать новый ключ надёжно, чтобы никто-никто? Ведь для того чтобы секретность ключа была гарантирована, казалось бы, нужен секретный канал? А чтобы сделать секретный канал, снова нужен секретный ключ…
Разрывая круг
Навскидку такое впечатление, что эта задача неразрешима. И это действительно так, если оставаться в рамках классической физики: только квантовая механика позволяет этот круг разорвать.
– Мы передаём квантовое состояние по открытому каналу – по оптоволокну или просто через открытое пространство, и подслушиватель может в него вторгаться – ведь в принципе злоумышленник способен подобраться к любому каналу связи, – рассказывает профессор МГУ Сергей Молотков, один из ведущих отечественных специалистов в области квантовой криптографии. – Однако квантовая механика гарантирует, что по возмущению квантовых состояний, которые регистрируются на принимающей стороне, мы обязательно обнаружим его присутствие.
Но это ещё не всё, чем радует связистов квантовая механика: она гарантирует им, что если наблюдаемое возмущение состояний меньше некоторой критической величины, на них можно не обращать на внимания. Потому что в результате исправления ошибок в первичном ключе и его сжатия подслушиватель не будет знать о нём ничего – этот ключ будет совершенно секретным.
В этом весь смысл: если бы мы передавали, скажем, данные, записанные на флешку, или транслировали мощный сигнал по оптоволокну или через атмосферу, его можно было бы так скопировать, что никто этого копирования не заметит – вас подслушивают, а вы и не знаете.
А вот с квантовыми сигналами у злоумышленника будут проблемы – потому что квант света – фотон – неделим, у него половинки не бывает.
– Это легко понять на следующем примере: представьте, что жители всей страны одновременно смотрят по телевизору одну и ту же передачу. Ясно, что при этом они совсем не мешают друг другу, – поясняет коллега Молоткова профессор Сергей Кулик, – и вы не знаете, что ваш сосед смотрит то же, что и вы. Почему так? Потому что передатчик, Останкинская башня, излучает очень мощный сигнал – посылает в пространство огромное число фотонов. Часть отводит к себе один телевизор, другой – к себе другую часть… Но их всё равно остаётся так много, что вы эту убыль никак не чувствуете, всем хватает. А теперь представим, что уровень сигнала понижен до одного фотона. Если кто-то с этим фотоном что-то сделал, второму приёмнику уже не достаётся.
– Если кто-то вторгся в ваш канал связи, у вас при передаче данных сразу появятся ошибки, сбои, – продолжает Кулик свой рассказ. – И это всегда заметно. Поэтому методы квантовой криптографии позволяют абсолютно надёжно передавать ключи, а информацию при помощи этих ключей потом хоть на листочке шифруй. Наконец, мы всегда можем сравнить их через открытый канал: есть ошибки – значит, кто-то вторгся в линию связи. Если этих ошибок меньше, чем допустимый порог, мы не обращаем внимания на подслушивателя, опять исправляем эти ошибки по открытой линии, не встречаясь с нашим адресатом. А потом сжимаем очищенный ключ от ошибок, и то, что останется, будет абсолютно секретным – известным только нам и тому, кому надо, – резюмирует учёный.
Шифровальные перспективы
Как утверждают эксперты, квантовая криптография уже добралась до смартфонов. Правда, пока не у нас в стране. Работа по такому шифрованию разговоров по мобильным телефонам ведётся давно, и она чисто техническая, дело только за «железом». Специалисты, впрочем, уверены – квантовый метод шифровки хоть и потеснит классический, но до конца его не вытеснит. Ведь телевидение не упразднило радио, кино не отменило телевидение, Интернет не уничтожил бумажную прессу. Но свою нишу квантовая криптография займёт определённо – будет применяться там, где требуется повышенный уровень защиты.
– В недалёком будущем квантовая криптография обязательно станет массовой технологией. Но не в потребительском секторе – шифровать мобильную связь всё-таки дорого, у обывателей таких секретов нет, чтобы имело смысл столько за это платить. А в крупных государственных и частных структурах это может быть востребовано.Раз идеи есть, они обязательно воплотятся, это вопрос времени, в человеческой истории это миллион раз подтверждалось, – считает Кулик.
Отечественные достижения
Для передачи ключей через открытое пространство Молотков и Кулик разработали прототип совершенно новой системы квантовой криптографии. После Эйнштейна все знают, что скорость света конечна, но никто до них не догадался использовать это для шифрования сообщений. А наши учёные поняли, что криптография от такой дружбы квантовой механики с эйнштейновской теорией относительности сильно выиграет.
Команда Кулика и Молоткова давно занимается квантовой криптографией, они хорошо умеют строить такие шифровальные системы и уже создали несколько прототипов на любой вкус, с передачей сообщений по оптоволокону и в открытом пространстве. Поэтому Российский фонд перспективных исследований, который финансирует прорывные научные разработки, поддержал недавно их большой проект. «Это привет нам из Кремля», – пошутил Кулик. «И от Эйнштейна», – добавил Молотков.