ОНС / кванты

Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации Ордена трудового Красного Знамени Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский технический университет связи и информатики Кафедра «Направляющие телекоммуникационные среды» Реферат на тему: «Квантовая криптография»

Группа: БОС-2002 Выполнил: Ядринцев С. М. Проверил(а): Рабенандрасана Жослен Дата: 19.04.2023

Москва 2023

1. Квантовая криптография. - Что такое криптография? наука о методах обеспечения конфиденциальности, целостности данных, аутентификации, шифрования. Хотя криптография ассоциируется в первую очередь с достижениями современной науки, технология используется человечеством уже несколько тысячелетий. Если раньше ее применяли преимущественно государственные деятели и секретные службы, сейчас криптография присутствует в жизни любого человека с доступом в интернет. Ведь мы обмениваемся сотнями сообщений каждый день, снимаем наличные в банкоматах, оплачиваем покупки с помощью кредитных карт, делаем заказы в интернете, отправляем и получаем электронные письма — и все эти данные кодируются и расшифровываются. На реализацию этих сложнейших, с точки зрения обывателя, криптографических операций уходят доли секунды. Шифрование обеспечивают те, кто такие операции производит: банки, социальные сети, почтовые сервисы. Фактически, они берут на себя функцию службы безопасности в мире электронных транзакций. В наши дни информация обладает исключительной ценностью, а ее сохранность сравнима с физической безопасностью человека. А во многом, напрямую с ней связана. - История криптографии. Криптография - наука о написании кодов и шифров для безопасной связи, является одним из наиболее важных элементов, который делает возможным создание современных криптовалют и технологии блокчейн. Однако, используемые сегодня криптографические методы являются результатом невероятно долгой истории развития. С древних времен люди использовали криптографию для безопасной передачи информации. Ниже вы можете ознакомиться с увлекательной историей криптографии, которая привела к появлению передовых и сложных методов, используемых для современного цифрового шифрования. Древние корни криптографии Известно, что примитивные криптографические методы существовали в Древние Времена и большинство цивилизаций, в некоторой степени использовали криптографию. Замена символов, самая основная форма криптографии, встречается как в Древнеегипетских, так и в Месопотамских письмах. Самый ранний известный пример данного типа криптографии был найден в могиле Египетского жителя знатного рода по имени Хонмхотеп(Knhumhotep) II, который жил примерно 3900 лет назад.

Целью замены символов в надписи “Knhumhotep” было не скрыть информацию, а повысить ее лингвистическую привлекательность. Самый ранний известный пример криптографии, используемой для защиты конфиденциальной информации, был найден около 3500 лет назад, когда Месопотамский писец использовал криптографию, чтобы скрыть формулу керамической глазури, которая использовалась на глиняных табличках. В более поздний период античности криптография широко использовалась для защиты важной военной информации, и актуальна для данной цели в наши времена. В греческом городе-государстве Спарта сообщения были зашифрованы записью на пергаменте, обернутом на цилиндр определенного размера, что делало сообщение неразборчивым, пока получатель не оборачивал его вокруг аналогичного цилиндра. Также известно, что шпионы в Древней Индии использовали закодированные сообщения еще во 2 веке до нашей эры.

Вероятнее всего, что самая совершенная криптография в Древнем Мире была достигнута римлянами. Яркий пример римской криптографии, известной как шифр Цезаря, включал смещение букв зашифрованного сообщения на определенное количество мест по латинскому алфавиту. Зная эту систему и количество мест для перестановки букв, получатель может успешно расшифровать неразборчивое сообщение. Развитие в средние века и в эпоху возрождения В средние века криптография становилась все более продвинутой, но шифры замещения, примером которых является шифр Цезаря, оставались стандартом. Криптоанализ - наука, с помощью которой взламываются коды и шифры, начала догонять все еще относительно примитивную науку криптографии. Аль-Кинди, известный арабский математик, разработал метод, известный как частотный анализ, примерно в 800 г. н.э., который сделал шифры замещения уязвимыми для дешифрования. Впервые люди, пытающиеся расшифровать зашифрованные сообщения, получили доступ к систематическому методу, позволяющему криптографии продвигаться еще дальше и оставаться полезной.

В 1465 году Леоне Альберти разработал полиалфавитный шифр, который считается решением против метода частотного анализа Аль-Кинди. В полиалфавитном шифре сообщение кодируется с использованием двух разных алфавитов. Первый - это алфавит, в котором написано исходное сообщение, а второй - это совершенно другой алфавит, в котором сообщение появляется после кодирования. В сочетании с традиционными заменяющими шифрами, полиалфавитные шифры значительно повышают безопасность кодированной информации. Если читатель не знал алфавит, в котором изначально было написано сообщение, метод частотного анализа был бесполезен.

Новые методы кодирования информации были также разработаны в Эпоху Возрождения, в том числе популярный метод двоичного кодирования, изобретенный знаменитым эрудитом сэром Фрэнсисом Бэконом в 1623 году. Достижения в более поздние века Наука Криптография продолжала активно прогрессировать на протяжении веков. Крупный прорыв в криптографии был описан Томасом Джефферсоном в 1790-х годах, хотя, возможно, так и не был завершен. Его изобретение, известное как колесо шифрования, состояло из 36 буквенных колец на движущихся колесах, которые можно использовать для достижения сложного кодирования. Эта концепция была настолько развита, что послужила основой для американской военной криптографии вплоть до Второй Мировой Войны.

Вторая Мировая Война также увидела прекрасный пример аналоговой криптографии, известной как машина Enigma. Как и колесный шифр, это устройство, используемое силами Оси, использовало вращающиеся колеса для кодирования сообщения, что делало практически невозможным чтение без следующей загадки. Ранние компьютерные технологии в конечном итоге использовались, чтобы помочь взломать шифр Enigma. Успешное дешифрование Enigma-сообщений по-прежнему считается важнейшим компонентом возможной победы союзников. Криптография в компьютерную эпоху С появлением компьютеров, криптография стала намного более продвинутой, чем в аналоговую эпоху. 128-битное математическое шифрование, более надежное, чем любой древний или средневековый шифр, теперь является стандартом для многих устройств и компьютерных систем. Начиная с 1990 года, ученые разрабатывали совершенно новую форму криптографии, называемую квантовой криптографией, в надежде еще раз повысить уровень защиты современного шифрования.

Совсем недавно криптографические методы также использовались для создания криптовалют. Криптовалюты используют несколько передовых криптографических методов, включая хэш-функции, криптографию с открытым ключом и цифровые подписи. Эти методы используются главным образом для обеспечения безопасности данных, хранящихся в блокчейне, а также для аутентификации транзакций. Специализированная форма криптографии, известная как ECDSA - алгоритм для создания цифровой подписи, определенной в группе точек эллиптической кривой, используется в Биткоине и других криптовалютных системах как средство обеспечения дополнительной безопасности и гарантии того, что средствами могут пользоваться только их законные владельцы.

Криптография прошла долгий путь за последние 4000 лет, и вряд ли он скоро прекратится. Пока конфиденциальные данные требуют защиты, криптография будет продолжать развиваться. Криптографические системы, используемые в блокчейне криптовалют сегодня, представляют одну из наиболее продвинутых форм этой науки. Они также являются частью традиционной истории человечества.

- Зачем нужна квантовая криптография? С чего всё началось? Квантовые банкноты. Зачем нужна квантовая криптография? Квантовая криптография позволяет выявить любые попытки прослушивания переговоров и обеспечить секретность передаваемой информации с помощью фундаментальных законов природы, а не технических или вычислительных ограничений злоумышленника. Одним из узких мест в криптографии до сих пор остается передача и периодическая смена криптографических ключей. С чего всё началось? История квантовой криптографии началась не с технологий связи, а с попытки решить совершенно другую задачу — создать деньги, которые невозможно подделать. Стивен Визнер из Колумбийского университета в 1983 году предложил создать квантовые банкноты государственного образца, которые нельзя скопировать даже в том случае, если у желающего сделать это есть типографское оборудование и бумага, при помощи которых изготавливался оригинал. Разрабатываемые банкноты нового поколения, у которых в качестве основной системы защиты от подделки применяется квантовая криптография.

2. Система распределения квантового ключа. Квантовое распределение ключей (КРК) - это метод безопасной связи, реализующий криптографический протокол, включающий компоненты квантовой механики. Он позволяет двум сторонам создать общий случайный секретный ключ, известный только им, который затем может быть использован для шифрования и дешифрования сообщений. 3. Типы протоколов КРК. Протокол BB84 является исторически первым протоколом квантового распределения ключа, однако активно используется и сегодня из-за своей простоты реализации и доказанной секретности, в том числе и в коммерческих системах. Этот протокол использует четыре поляризационных попарно ортогональных состояния света в двух неортогональных базисах, и для него получены строгие доказательства секретности. В системе, основанной на модифицированном протоколе четырех состояний BB84 с введенными в него состояниями- ловушками, достигнуты рекордные параметры скорости КРК. На расстоянии 35 км она составила 2,38 Мбит/с, а на расстоянии 70 км – 52 кбит/с. Фазовым аналогом классического протокола BB84 отчасти можно считать протокол B92. Этот протокол использует два неортогональных фазовых состояния света, и для него также получены строгие доказательства секретности. Одним из его преимуществ является увеличенная скорость генерации квантовых бит по сравнению с BB84. В качестве альтернативы BB84 протоколы DPS и COW были предложены группами экспериментаторов, которые разрабатывали системы, применимые на практике для эффективной рассылки квантовых кодирующих последовательностей в оптических линиях связи на дальние расстояния. Достигнутые в этих системах дальности более 250 км длительное время являются рекордными. Так, например, использование системы, построенной на протоколе COW, помогло достичь дальности передачи 307 км. Преимуществами этих протоколов являются более высокая скорость генерации просеянного ключа по сравнению с протоколом BB84 и повышенная устойчивость к атаке разделением числа фотонов для COW. Однако для этих двух протоколов еще не выведено полное строгое доказательство защищённости. Особенности формирования квантовых состояний в них также требуют использования высокочастотной (более 1 ГГц) управляющей электроники. Помимо этого, в протоколе COW возникает необходимость точного контроля времени прихода импульсов. 4. Источники и детекторы одиночных фотонов. - Источники одиночных фотонов В настоящее время наиболее распространенными источниками одиночных фотонов являются одиночные молекулы, атомы Ридберга, алмазные цветовые центры и квантовые точки, причем последние широко изучаются многими исследовательскими группами для реализации квантовых точек, которые флуоресцируют одиночные фотоны при комнатной температуре с фотонами в окне с низкими потерями волоконно-оптической связи. - Детекторы одиночных фотонов Детекторы одиночных фотонов (ДОФ) являются наиболее чувствительными приборами для детектирования света. Стремительное развитие направления квантовой коммуникации за последние несколько десятков лет дало предпосылки к разработке дешевого и миниатюрного устройства ДОФ. Его сердцем стал однофотонный лавинный фотодиод (ОЛФД) – специально разработанное полупроводниковое устройство, чувствительное к однофотонному излучению.