До сих пор неразрывные зашифрованные сообщения передавались через систему, разработанную американским математиком Клодом Шенноном, которого считают «отцом теории информации»."Шеннон объединил свои знания алгебры и электрических схем, чтобы придумать двоичную систему передачи сообщений, которая является безопасной при трех условиях: ключ случайный, используется только один раз и имеет длину не менее самого сообщения.
Результаты исследований Дэниела Лам, аспиранта факультета физики, и Джона Хауэлла, профессора физики, были опубликованы в журнале Physical Review A.
«Исследование Дэниела представляет собой важный шаг вперед не только в области шифрования, но и в области квантовой блокировки данных», — сказал Хауэлл.
Квантовая блокировка данных — это метод шифрования, разработанный Сетом Ллойдом, профессором квантовой информации Массачусетского технологического института, который использует фотоны — мельчайшие частицы, связанные со светом — для передачи сообщения.
Считалось, что квантовая блокировка данных имеет ограничения для безопасного шифрования сообщений, но Ллойд придумал, как сделать дополнительные предположения, а именно те, которые касаются границы между светом и материей, чтобы сделать его более безопасным методом отправки данных. В то время как двоичная система допускает только включение или выключение положения с каждым битом информации, фотонные волны можно изменять многими другими способами: угол наклона можно изменять, длину волны можно делать длиннее или короче, а размер амплитуда может быть изменена. Поскольку у фотона больше переменных — а в квантовых измерениях есть фундаментальная неопределенность — квантовый ключ для шифрования и дешифрования сообщения может быть короче самого сообщения.
Система Ллойда оставалась теоретической до этого года, когда Лум и его команда разработали устройство — квантовую загадочную машину, которая воплотила теорию в жизнь. Устройство получило свое название от шифровальной машины, используемой Германией во время Второй мировой войны, которая использовала метод кодирования, который британские и польские спецслужбы тайно смогли взломать.
Предположим, что Алиса хочет отправить Бобу зашифрованное сообщение.
Она использует машину для генерации фотонов, которые проходят через свободное пространство и попадают в пространственный модулятор света (SLM), который изменяет свойства отдельных фотонов (e.грамм. амплитуда, наклон), чтобы правильно закодировать сообщение в плоские, но наклонные волновые фронты, которые можно сфокусировать в уникальных точках, продиктованных наклоном. Но SLM делает еще одну вещь: он искажает формы фотонов в случайные паттерны, так что волновой фронт больше не плоский, что означает, что он больше не имеет четко определенного фокуса.
Алиса и Боб оба знают ключи, которые идентифицируют реализованные операции скремблирования, поэтому Боб может использовать свой собственный SLM для выравнивания волнового фронта, перефокусировки фотонов и преобразования измененных свойств в отдельные элементы сообщения.
Наряду с изменением формы фотонов, Лам и его команда использовали принцип неопределенности, который гласит, что чем больше мы знаем об одном свойстве частицы, тем меньше мы знаем о другом из ее свойств. Благодаря этому исследователи смогли надежно заблокировать шесть бит классической информации, используя только один бит ключа шифрования — операция, называемая блокировкой данных.
«Хотя наше устройство не на 100% защищено из-за потери фотонов, — сказал Лам, — оно показывает, что блокировка данных при шифровании сообщений — это гораздо больше, чем теория."
Конечная цель квантовой загадочной машины — помешать третьей стороне — например, кому-то по имени Ева — перехватить и расшифровать сообщение. Важнейший принцип квантовой теории состоит в том, что простой акт измерения квантовой системы изменяет систему. В результате у Евы есть только один шанс получить и перевести зашифрованное сообщение — что практически невозможно, учитывая почти безграничное количество шаблонов, существующих для каждого фотона.
Статья Лам и Хауэлла была одной из двух опубликованных одновременно статей по одной и той же теме. Другой документ, «Квантовая синхронизация данных», был подготовлен группой под руководством китайского физика Цзянь-Вэй Пэна.
«Маловероятно, что наша реализация в свободном пространстве будет полезна в атмосферных условиях», — сказал Лам. "Вместо этого мы определили использование оптического волокна как более практичный путь для блокировки данных, путь, по которому группа Пэна фактически начала с. Тем не менее, эта область все еще находится в зачаточном состоянии, и требуется гораздо больше исследований."
