Квантовое распространение ключа
Состояние квантового объекта (то есть, грубо говоря, объекта очень малой массы и размеров, например, электрона или фотона) может быть определено измерением. Однако сразу после выполнения этого измерения квантовый объект неизбежно переходит в другое состояние, причем предсказать это состояние невозможно. Следовательно, если в качестве носителей информации использовать квантовые частицы, то попытка перехватить сообщение приведет к изменению состояния частиц, что позволит обнаружить нарушение секретности передачи. Кроме того, невозможно получить полную информацию о квантовом объекте, и следовательно, невозможно его скопировать. Эти свойства квантовых объектов делают их «неуловимыми».
Идея использовать квантовые объекты для защиты информации от подделки и несанкционированного доступа впервые была высказана Стефаном Вейснером (Stephen Weisner) в 1970 г. Спустя 10 лет Беннет и Брассард, которые были знакомы с работой Вейснера, предложили использовать квантовые объекты для передачи секретного ключа. В 1984 г. они опубликовали статью, в которой описывался протокол квантового распространения ключа ВВ84.
Носителями информации в протоколе ВВ84 являются фотоны, поляризованные под углами 0, 45, 90, 135 градусов. В соответствии с законами квантовой физики, с помощью измерения можно различить лишь два ортогональных состояния: если известно, что фотон поляризован либо вертикально, либо горизонтально, то путем измерения, можно установить — как именно; то же самое можно утверждать относительно поляризации под углами 45 и 135 градусв. Однако с достоверностью отличить вертикально поляризованный фотон от фотона, поляризованного под углом 45?, невозможно.
Эти особенности поведения квантовых объектов легли в основу протокола квантового распространения ключа. Чтобы обменяться ключом, Алиса и Боб предпринимают следующие действия:
Алиса посылает Бобу фотон в одном из поляризованных состояний (0, 45, 90, 135 градусов) и записывает угол поляризации. Отсчет углов ведется от направления "вертикально вверх" по часовой стрелке. В реальных же системах перед процессом передачи ключа оборудование специально юстируется для обеспечения одинакового режима отсчета на приемнике и передатчике (причем эту юстировку приходится проводить периодически в процессе передачи), а "пространственное расположение" начала отсчета угла -- несущественно.
Боб располагает двумя анализаторами: один распознает вертикально-горизонтальную поляризацию, другой — диагональную. Для каждого фотона Боб случайно выбирает один из анализаторов и записывает тип анализатора и результат измерений.
По общедоступному каналу связи Боб сообщает Алисе, какие анализаторы использовались, но не сообщает, какие результаты были получены.
Алиса по общедоступному каналу связи сообщает Бобу, какие анализаторы он выбрал правильно. Те фотоны, для которых Боб неверно выбрал анализатор, отбрасываются.
Протокол для обмена ключом может выглядеть, как показано на рис. 1.
