UK 
EnglishТипова
Polski🎲 BB84 Квантова Криптографія
Симуляція протоколу BB84: Аліса надсилає кубіти, Боб вимірює, вони звіряють бази. Підслуховувач Єва підвищує QBER і стає виявленою.
Про BB84 Квантову Криптографію
BB84 — перший у світі протокол квантової криптографії, опублікований Чарльзом Беннетом і Жилем Брассаром 1984 року. Він використовує квантово-механічні властивості фотонів — зокрема те, що вимірювання квантового стану в неправильному базисі незворотно збурює його — щоб розподілити секретний криптографічний ключ між двома сторонами (Алісою та Бобом) так, щоб будь-яке підслуховування третьою стороною (Євою) було виявним. Це справжня фізична гарантія безпеки, а не обчислювальна: вона діє навіть проти атакувальника з необмеженою обчислювальною потужністю.
У цій симуляції Аліса надсилає кубіти, закодовані у випадково обраних прямокутному (+) або діагональному (×) базисах; Боб вимірює у власних випадкових базисах. Після передачі вони відкрито порівнюють базиси (не значення), залишають лише біти зі збіжними базисами й перевіряють вибірку на помилки, спричинені підслуховуванням. Можна регулювати кількість кубітів, додавати підслуховувача та спостерігати за результуючим просіяним ключем і рівнем помилок.
Поширені запитання
Що робить BB84 захищеним від підслуховування?
Безпека випливає з теореми про заборону клонування квантової механіки: підслуховувач не може скопіювати невідомий квантовий стан, не збуривши його. Якщо Єва перехоплює кубіт і вимірює його в неправильному базисі, вона руйнує суперпозицію, через що Аліса й Боб бачать ~25% рівень помилок у контрольних бітах — значно вище рівня шуму — що виявляє втручання.
Які два базиси використовуються в BB84?
BB84 використовує два спряжені базиси: прямокутний (або Z) базис зі станами |0⟩ і |1⟩ (горизонтальна/вертикальна поляризація) та діагональний (або X) базис зі станами |+⟩ і |−⟩ (поляризація ±45°). Ці базиси «взаємно незміщені»: вимірювання стану X-базису в Z-базисі дає повністю випадковий результат, і навпаки.
Що таке швидкість просіяного ключа?
Після того як Аліса й Боб порівнюють базиси відкритим каналом, вони залишають лише біти, де їхні випадково обрані базиси збігаються, відкидаючи решту. У середньому базиси збігаються у 50% випадків, тож швидкість просіяного ключа становить половину швидкості передачі сирих кубітів. Подальша дистиляція ключа зменшує її ще більше, але усуває будь-яку інформацію, яку могла здобути Єва.
Як BB84 реалізується у реальному світі?
Комерційні системи QKD передають одиночні фотони (або слабкі когерентні імпульси) через оптоволокно або канали вільного простору. Компанії, такі як Toshiba та ID Quantique, продають апаратуру QKD, що працює на сотнях кілометрів волокна. Протокол BB84 лежить в основі стандартів квантової криптографії ETSI та ISO/IEC 23837.
Для чого використовується квантовий розподіл ключів?
QKD використовується для розподілу симетричних ключів шифрування, які потім застосовуються з класичними алгоритмами, такими як AES-256. Реальні впровадження включають міжбанківські комунікації в квантовій мережі Китаю (понад 2000 км волокна), урядові комунікації та високозахищені дата-центри. Ключі є інформаційно-теоретично безпечними, що робить їх стійкими до квантових комп'ютерів у майбутньому.
Що таке теорема про заборону клонування?
Теорема про заборону клонування, доведена Вуттерсом і Цуреком 1982 року, стверджує, що неможливо створити ідентичну копію довільного невідомого квантового стану. Це випливає з лінійності квантової механіки: гіпотетична операція клонування мала б скопіювати обидва базисні стани одночасно, що неможливо без попереднього знання стану.
У чому різниця між QKD та квантовими обчисленнями?
Квантовий розподіл ключів використовує квантову механіку для розподілу секретних ключів; це протокол зв'язку, який може працювати на сьогоднішньому фотонному обладнанні. Квантові обчислення використовують квантову суперпозицію та заплутаність для виконання обчислень експоненційно швидше за класичні комп'ютери для певних задач. QKD вже комерційно впроваджено, тоді як масштабні квантові обчислення залишаються дослідницькою метою.
Як рівень помилок виявляє підслуховування?
Якщо Єва перехоплює кубіт і вимірює його, вона вгадує правильний базис у 50% випадків. Коли вона вгадує неправильно, вона збурює кубіт, і подальше вимірювання Боба в базисі Аліси дасть неправильний біт у 50% випадків. У середньому за всіма перехопленнями це вносить 25% квантовий рівень бітових помилок (QBER) у просіяний ключ, легко відрізнюваний від типових рівнів шуму нижче 5%.
Чи можна зламати BB84 квантовим комп'ютером?
Ні. Безпека BB84 базується на законах квантової фізики, а не на складності математичної задачі. Алгоритм Шора (який виконується на квантовому комп'ютері) може зламати RSA та криптографію на еліптичних кривих, але він не допоможе підслуховувачу отримати ключ BB84 без спричинення виявного збурення. Саме тому QKD вважається «постквантово безпечним».
Що таке посилення приватності?
Після виправлення помилок Аліса й Боб застосовують посилення приватності: вони стискають просіяний ключ за допомогою випадково обраної хеш-функції, щоб звести потенційне знання Єви про ключ до незначного рівня. Якщо Єва має інформацію щонайбільше про k бітів n-бітного виправленого ключа, хешування до n−k−s бітів залишає їй менш ніж 2^(−s) біт взаємної інформації про кінцевий ключ.