до спутника?
Квантовая криптография и телепортация – одно и то же?
Как
позвонить по квантовому телефону?Когда нам подключат квантовый интернет?
Разделы презентаций
- Разное
- Английский язык
- Астрономия
- Алгебра
- Биология
- География
- Геометрия
- Детские презентации
- Информатика
- История
- Литература
- Математика
- Медицина
- Менеджмент
- Музыка
- МХК
- Немецкий язык
- ОБЖ
- Обществознание
- Окружающий мир
- Педагогика
- Русский язык
- Технология
- Физика
- Философия
- Химия
- Шаблоны, картинки для презентаций
- Экология
- Экономика
- Юриспруденция
Квантовые коммуникации и сети
Содержание
- 1. Квантовые коммуникации и сети
- 2. Слайд 2
- 3. СЕГОДНЯ МЫ УЗНАЕМ:Что такое квант и может
- 4. Часть IЧто такое квантовые технологии?
- 5. Что такое квант?Квант – фундаментальная (минимальная и
- 6. Первая квантовая революция (начало XX века)Сформулированы фундаментальные
- 7. Вторая квантовая революция (начало XXI века)Создание устройств
- 8. Это всё так запутано…Квантовая информация записывается
- 9. Фундаментальные квантовые свойства:Неопределённость – чем точнее измеряется
- 10. 1. НеопределённостьКвантовый объект: Цвет яблока неизвестен,
- 11. Квантовый объект: яблоко и зелёное, и
- 12. 3. Нелокальность: классический объект с квантовыми
- 13. Определение квантовой технологии (по Дж. Даулингу)НеопределённостьНе-реализмНелокальностьКвантовая телепортацияКвантовая криптографияКвантовый ГСЧ
- 14. Квантовые технологииКвантовые коммуникацииКвантовые сенсорыКвантовые вычисленияДля передачи информации (телепортация, сверхплотное кодирование)Для защиты информации(квантовая криптография, цифровая подпись)
- 15. Часть IIЗачем нужны квантовые коммуникации?
- 16. Пример: шифр ЦезаряKлюч = «Сдвинуть на 3 позиции»КриптографияНултсёугчлвКриптографический ключ
- 17. Проблема передачи ключа
- 18. 3. Шифрование данных (симметричная криптография)
- 19. ЛегкоСложно491 x 877430 607ЛегкоСложноОдносторонние функции
- 20. Фундамент современной криптографии: Время, требуемое на расшифровку
- 21. Разложите на простые множители:430 607 = 491 x 877Не проблема… для квантового компьютера!
- 22. В 2012 году группа учёных из Университета
- 23. Почему квантовые вычисления эффективнее?Перебирает все комбинации «по очереди»Перебирает все комбинации «сразу»
- 24. Прогресс в области квантовых вычислений?
- 25. Компании, занимающиеся разработкой квантовых компьютеров
- 26. Квантовый компьютер IBM
- 27. Слайд 27
- 28. Угроза безопасности от квантового компьютера не только
- 29. ДА! Существует ли «золотой ключик», устойчивый даже к квантовым вычислениям?
- 30. Абсолютно стойкий ключ (АСК)Шифр Вернама, метод одноразовых
- 31. Как передать АСК?С помощью неопределённости, не-реализма
- 32. Итог: новая парадигма безопасностиЛегкоСовременный подход: безопасность
- 33. Часть IIIКвантовая телепортация
- 34. Квантовая телепортацияОжиданиеРеальность
- 35. Передача информации…мгновенная?Bouwmeester D., Pan J.-W., Mattle K.,
- 36. Проведем классический экспериментЛектор ходит в разных носках:
- 37. Квантовая телепортация:на курорте…и в космосе!
- 38. Как фотоны долетают до спутника?(Ответ: «Очень плохо, но долетают»)
- 39. Часть IVКвантовая криптография(квантовая рассылка ключа)
- 40. Схема квантовой рассылки ключаЗащищённый квантовый канал: для
- 41. …разделить одиночный фотон…скопировать одиночный фотон…повторно измерить одиночный
- 42. ?ОтправительПолучательНарушитель
- 43. Пример протокола квантовой криптографииШтука, которая испускает фотоны
- 44. Получение «квантового» ключа011000011101010101…
- 45. Два поляризационныхбазисаВыбирается случайноВыбирается случайноВыбирается случайноПолучатель производит
- 46. Первая установка квантовой криптографии (1984)Авторы: Жиль Брассард и Чарльз Беннетт Дальность передачи ключа: 32,5 см!
- 47. Часть IVСовременное состояние квантовых коммуникаций
- 48. Квантовые сети сегодня2001 – США 2009 –
- 49. 2004: Первое использование квантовых коммуникаций в банкеСША,
- 50. (Возможно) крупнейшая квантовая сеть в миреСеть Пекин-Шанхай2000
- 51. Shanghai control center of the Chinese quantum key distribution networkPhoto © 2016 Vadim Makarov
- 52. BeijingLijiangAliDenglinghaUrumqi~1200kmHigh-rate QKD between satellite and groundQuantum entanglement
- 53. Национальная квантовая сеть США?Организатор: BattelleЦель: Создание национальной
- 54. SwissQuantum (2009-2011)Основные результаты: Системы КРК тестируются в
- 55. Tokyo QKD network (Япония, 2008)Основные результаты: Реализована передача видеосигнала, закодированного с помощью квантового ключаРазвит сетевой протокол
- 56. Quantum network testbeds in RussiaSaint Petersburg:Backbone QKD
- 57. В области сетей:Искажения квантового сигнала в волокне;Низкая
- 58. Схема “Plug & Play”квантовой криптографииПозволяют компенсировать поляризационные искажения квантового сигнала за счёт применения двухпроходной схемы
- 59. Низкая скорость квантовых ключей Решение: КРК для
- 60. Отсутствие повторителей и усилителей. Решение: доверенные узлы-ретрансляторыАльтернатива:
- 61. Между каждой парой А и Б генерируется
- 62. АБА2Б2WDMMUXWDMDEMUXК2К1К2К1АБ2. Несколько квантовых каналов в одном волокне
- 63. Передавать по одному волокну квантовые ключи и данные – возможно, но пока очень сложно
- 64. Квантовая сеть как ещё один уровень защитыКвантовые трансиверыКриптомаршрутизаторЗащищаемая сеть (LAN)Оптически переключатели
- 65. Подведем итоги:«Квантовый интернет»Пока что ограничен по скорости
- 66. Тестовые вопросы«Квантовое превосходство» в вычислениях:Только предсказано теоретическиДостигнуто
- 67. Правильные ответы«Квантовое превосходство» в вычислениях:Только предсказано теоретическиДостигнуто
- 68. Скачать презентанцию
СЕГОДНЯ МЫ УЗНАЕМ:Что такое квант и может ли он долететь до спутника?Квантовая криптография и телепортация – одно и то же?Как позвонить по квантовому телефону?Когда нам подключат квантовый интернет?
Слайды и текст этой презентации
Слайд 3СЕГОДНЯ МЫ УЗНАЕМ:
Что такое квант и может ли он долететь
до спутника?
позвонить по квантовому телефону?Когда нам подключат квантовый интернет?
Слайд 5Что такое квант?
Квант – фундаментальная (минимальная и неделимая) порция энергии,
а также соответствующая ей частица (например, квант света – фотон).
Слайд 6Первая квантовая революция (начало XX века)
Сформулированы фундаментальные законы квантовой физики,
«неклассически», описывающие природу реальности.
Создание устройств и технологий на основе знания
квантовой теории (революции в оптике и электронике!)
Слайд 7Вторая квантовая революция (начало XXI века)
Создание устройств и технологий на
основе управления отдельными квантовыми объектами (революции в вычислениях, криптографии и
метрологии!)
Слайд 8Это всё так запутано…
Квантовая информация записывается
в квантовых битах (кубитах):
До
измерения:
После измерения: 0 или 1
Кубиты могут быть запутаны:
Они становятся
единой системой и
измерение одного сразу же влияет на другой.
Слайд 9Фундаментальные квантовые свойства:
Неопределённость – чем точнее измеряется одна характеристика объекта,
тем менее точно можно определить вторую (связанную с ней).
Не-реализм –
состояние квантового объекта можно определить только в процессе измерения, после которого это состояние разрушается.Нелокальность – «запутанные» квантовые объекты могут влиять друг на друга, находясь на любом расстоянии («быстрее скорости света»).
Слайд 101. Неопределённость
Квантовый объект:
Цвет яблока неизвестен, диаметр – 5 см
Красное
яблоко, диаметр неизвестен
Классический объект:
Зелёное яблоко – диаметр 5 см
Красное яблоко – диаметр 6 см?!
Слайд 11Квантовый объект:
яблоко и зелёное, и красное
(до измерения!)
2. Не-реализм
Классический объект:
яблоко или зелёное, или красное
Слайд 123. Нелокальность:
классический объект с квантовыми свойствами
Каждый носок – это
кубит:
он и левый, и правый
Надев носок, вы его «измеряете»:
теперь он уже или левый, или правыйВ паре носки запутаны друг с другом: если один — левый, другой сразу становится правым
Слайд 13Определение квантовой технологии
(по Дж. Даулингу)
Неопределённость
Не-реализм
Нелокальность
Квантовая
телепортация
Квантовая
криптография
Квантовый
ГСЧ
Слайд 14Квантовые технологии
Квантовые коммуникации
Квантовые сенсоры
Квантовые вычисления
Для передачи информации
(телепортация, сверхплотное кодирование)
Для
защиты информации
(квантовая криптография, цифровая подпись)
Слайд 16Пример: шифр Цезаря
Kлюч = «Сдвинуть на 3 позиции»
Криптография
Нултсёугчлв
Криптографический ключ
Слайд 183. Шифрование данных
(симметричная криптография)
и передача сообщения
2. Передача ключа
Шифрование
ключа
(асимметричная
криптография)
Односторонние функции
Слайд 20Фундамент современной криптографии:
Время, требуемое на расшифровку
существенно превышает время
актуальности информации.
Например, оно может составлять 1 000 000 лет.
на
электронном компьютере
Слайд 22В 2012 году группа учёных из Университета Калифорнии создала первый
квантовый процессор, факторизующий числа по квантовому алгоритму Шора.
Его результат…
15
= 3 x 5«Квантовый процессор подсчитал, что 15 = 3 x 5
(с почти 50% вероятностью!)»
журнал Popular Science, 20 августа 2012 г.
Квантовая факторизация чисел
Слайд 23Почему квантовые вычисления эффективнее?
Перебирает все комбинации «по очереди»
Перебирает все комбинации
«сразу»
Слайд 28Угроза безопасности от квантового компьютера не только не даст развивать
новые технологии, но и ограничит применение существующих!
Время
M. Mosca, http://eprint.iacr.org/2015/1075
Теорема Моска
Если
x + y > z, тогда беспокойтесь.Шифрование
Расшифровка
Хранение копии
Расшифровка
В будущем
Photo © 2013 AP / Rick Bowmer
Слайд 30Абсолютно стойкий ключ (АСК)
Шифр Вернама, метод одноразовых блокнотов (1917 г.)
Текст
(XOR) Ключ = АСК
Свойства ключа:
Абсолютно случаен
Равен длине сообщения
Используется один разВ работе Шеннона 1945 г.
доказана безусловная стойкость этого шифра
Снова встаёт проблема передачи ключа!
Открытый канал. Шифротекст
Закрытый канал.
Ключ
1 1 1 0 0 0 секретный текст
+ 1 1 0 1 0 0 секретный ключ
= 0 0 1 1 0 0 шифротекст
шифрование
дешифрование
0 0 1 1 0 0 шифротекст
+ 1 1 0 1 0 0 секретный ключ
= 1 1 1 0 0 0 секретный текст
0 xor 0 = 0
1 xor 1 = 0
0 xor 1 = 1
1 xor 0 = 1
XOR
Слайд 31Как передать АСК?
С помощью неопределённости, не-реализма
и нелокальности – квантовая
телепортация
С помощью неопределённости и не-реализма –
квантовая криптография (квантовая рассылка
ключей)Квантовая криптография ≠ Квантовая телепортация
(хотя её можно выполнить на основе телепортации,
но это сложно, и поэтому так обычно не делают)
Слайд 32Итог: новая парадигма безопасности
Легко
Современный подход:
безопасность = математика
Сложно
но НЕ невозможно
для:
Квантовых компьютеров
Новых алгоритмов?
Облачных вычислений?
Чего-то ещё?
Подход будущего:
безопасность = физика
Квантовая рассылка ключей
(КРК)
Слайд 35Передача информации…мгновенная?
Bouwmeester D., Pan J.-W., Mattle K., Eibl M., Weinfurter
H., Zeilinger A. Experimental quantum teleporting // Nature. 1997. Vol.
390У Алисы есть «красный» фотон и «белый», запутанный с «синим». «Синий» передаётся Бобу.
Алиса совместно измеряет «красный» и «белый», после чего «синий» сразу «превращается» в «красный».
Чтобы Боб об этом узнал, нужно передать один бит по классическому каналу.
Мгновенно, да?
А про скорость
света вы слышали?
Слайд 36Проведем классический эксперимент
Лектор ходит в разных носках:
один коричневый, другой
оранжевый
На счёт «три» назовите, какого цвета носок на его ноге
по левую руку от васИнформацию о втором носке вы узнали мгновенно!
Но для этого потребовался пункт №1, переданный «классически»
«Носки Бертлманна» (с) Джон Белл
Слайд 40Схема квантовой рассылки ключа
Защищённый квантовый
канал: для рассылки ключей
Открытый классический
канал: для обсуждения результатов измерений
Безопасность основана на том, что ключи
(абсолютно стойкие)
передаются с помощью одиночных фотонов – квантов светаКанал синхронизации:
для согласования устройств Алисы и Боба
Слайд 41…разделить одиночный фотон
…скопировать одиночный фотон
…повторно измерить одиночный фотон (не разрушив
его состояние)
Незаметно перехватить
квантовый ключ невоможно!
Слайд 43Пример протокола квантовой криптографии
Штука, которая испускает фотоны (ослабленный лазер)
Одинаковые штуки,
которыми можно изменить параметр фотона (Модуляторы)
Линия связи
(Оптическое волокно или
атмосфера)Штука, которая регистрирует совпадения (Счётчик фотонов)
Слайд 45Два поляризационных
базиса
Выбирается случайно
Выбирается случайно
Выбирается случайно
Получатель производит
измерения в
одном из
двух
базисов
Нарушитель не знает правильный базис и может только пытаться
угадать его, внося ошибкиПротокол BB84 с кодированием
по поляризации
Слайд 46Первая установка квантовой криптографии (1984)
Авторы: Жиль Брассард и Чарльз Беннетт
Дальность передачи ключа: 32,5 см!
Слайд 48Квантовые сети сегодня
2001 – США 2009 – Китай
2003 –
Европейский союз 2014 – Россия
и Швейцария
2008 – Япония 2018
– Южная Корея
Слайд 492004: Первое использование квантовых коммуникаций в банке
США, ЕС, Швейцария, Китай,
Япония, Россия сообщили об успешном запуске квантовых сетей в течение
последнего десятилетия;Достигнуты скорости более 1 Мбит/с и дальности свыше 100 км в сетевом режиме
2004 - Н.В.: В развитых странах запущены квантовые сети
Вехи развития квантовых сетей
Линия была организована между ратушей и отделением Bank Austria Creditanstalt в г. Вена, Австрия
2007: Квантовые коммуникации использованы на выборах в Швейцарии
2010: Квантовая защита каналов связи применялась на
ЧМ по футболу в ЮАР
2013: Battelle запустила первую коммерческую квантовую сеть в США
Источник: пресс-релизы в интернете
2016: Китай запускает Micius, первый спутник квантовой связи
Слайд 50(Возможно) крупнейшая квантовая сеть в мире
Сеть Пекин-Шанхай
2000 километров
32 узла-ретранслятора
1-10 кбит/с
– скорость
генерации ключей
Почему «возможно»?
C 2004 года нет
открытых официальных
данных о квантовой сети США
Слайд 51Shanghai control center of the Chinese
quantum key distribution network
Photo ©
2016 Vadim Makarov
Слайд 52Beijing
Lijiang
Ali
Denglingha
Urumqi
~1200km
High-rate QKD between satellite and ground
Quantum entanglement distribution from satellite
to ground, test of Bell’s inequality over large-scale
Quantum teleportation
between satellite and groundWas launched in 2016
CAS Strategic Priority Research Program: Quantum Satellite
Presentation by Jian-Wei Pan at TyQI conference, Shanghai, June 27–30, 2016
Слайд 53Национальная квантовая сеть США?
Организатор: Battelle
Цель: Создание национальной квантовой сети и
дальнейшее расширение путем соединения с европейскими проектами
Участники: Battelle, ID Quantique,
Google, IBM, Microsoft, Rackspace, AmazonСроки: ?
http://www.theverge.com/2014/11/18/7214483/quantum-networks-expand-across-three-continents
Слайд 54SwissQuantum (2009-2011)
Основные результаты:
Системы КРК тестируются в пятерке крупнейших банков
Швейцарии
Показана долговременная
стабильность квантовой сети
(более 1,5 лет)
Западная Европа
Основные
результаты: Объединение разработанных в Европе систем КРК в единую сеть (более 40 организаций-участников)
Разработаны внутренние сетевые протоколы для многоузловой квантовой сети
SECOQC (2004-2008)
Слайд 55Tokyo QKD network (Япония, 2008)
Основные результаты:
Реализована передача видеосигнала, закодированного
с помощью квантового ключа
Развит сетевой протокол
Слайд 56Quantum network testbeds in Russia
Saint Petersburg:
Backbone QKD networks
Kazan:
QKD networks with
trusted and quantum repeaters
Samara:
Software-defined quantum networking
Moscow:
Secure banking and regional networks
Слайд 57В области сетей:
Искажения квантового сигнала в волокне;
Низкая скорость рассылки ключей
(по сравнению с передачей данных);
Отсутствие повторителей и усилителей (ограниченная дальность);
Фундаментальная
архитектура «точка-точка»;Объединять в одном волокне информационный и квантовые сигналы теоретически возможно, но технически очень трудно.
В области безопасности:
«Чистые» источники фотонов не подходят для широкого применения;
Ослабленные лазерные источники могут создавать угрозы безопасности (требуется постобработка квантовых ключей);
Необходимость защиты от атак на техническую реализацию.
Технологические барьеры при внедрении КРК
Слайд 58Схема “Plug & Play”квантовой криптографии
Позволяют компенсировать поляризационные искажения квантового сигнала
за счёт применения двухпроходной схемы
Слайд 59Низкая скорость квантовых ключей
Решение: КРК для обновления ключей в СКЗИ
Так
можно сделать «квантовый телефон» и
«квантовую видеоконференцию»
Слайд 60Отсутствие повторителей и усилителей.
Решение: доверенные узлы-ретрансляторы
Альтернатива: сети КРК с оптическими
переключателями (для малых дистанций)
или квантовые повторители (для больших дистанций),
но технология ещё не готова.
Слайд 61Между каждой парой А и Б генерируется уникальный ключ (свойство
КРК).
Архитектура «точка-точка»
Решение: несколько КРК в доверенных узлах
А
Б
1. «Точка-точка»
А
Б
3. «Кольцо»
Б
А
А
Б
Б
А
А
Б
Б
А
Б
А
2. «Звезда»
К1
К2
К3
К1
Слайд 62А
Б
А2
Б2
WDM
MUX
WDM
DEMUX
К2
К1
К2
К1
А
Б
2. Несколько квантовых каналов в одном волокне (PON с разделением
по времени)
Б2
TDM
DEMUX
К1, К2
К2
К1
1. Несколько квантовых каналов в одном волокне (WDM)
Низкая
скорость и архитектура «точка-точка»
Решение: мультиплексирование квантовых каналов
Слайд 64Квантовая сеть как ещё один уровень защиты
Квантовые трансиверы
Криптомаршрутизатор
Защищаемая сеть (LAN)
Оптически
переключатели
Слайд 65Подведем итоги:
«Квантовый интернет»
Пока что ограничен по скорости и дальности,
Реализует новые
методы передачи и защиты данных,
Обеспечит более безопасный информационный обмен,
Соединит распределённые
квантовые компьютеры,Будет включать спутниковые и оптоволоконные каналы,
Не заменит, а дополнит оптические сети,
Возникнет в 2020-2030х годах
… и мы стоим на пороге его появления!
Слайд 66Тестовые вопросы
«Квантовое превосходство» в вычислениях:
Только предсказано теоретически
Достигнуто экспериментально в 2019
году
Google и IBM обещают продемонстрировать к 2024 году
Технологии квантовой
коммуникации могут применяться:Только для защиты информации
Только для передачи информации
Для обеих целей
Верно ли утверждение «Квантовая криптография всегда основана на эффекте квантовой телепортации»
Да
Нет
Системы квантовой криптографии предназначены для…
Распределения асимметричных ключей
Распределения симметричных ключей
Защищённой передачи информации
Всего перечисленного
Главным фактором, ограничивающим дальность квантовой рассылки ключей, является:
Высокое поглощение фотонов в канале связи
Невозможность регенерации сигнала с помощью усилителей
Низкие параметры детекторов одиночных фотонов
Какое свойство одиночного фотона не используется для распределения ключей методами квантовой криптографии?
Неделимость
Туннелирование
Изменение квантового состояния после измерения
Какие параметры одиночного фотона могут применяться для кодирования квантовой информации?
Фаза
Поляризация
Время прихода
Все перечисленные
Какое государство впервые провело сеанс квантовой рассылки ключей между Землёй и спутником?
США
Канада
Китай
Россия
Какому государству принадлежит мировой рекорд по общей протяжённости квантовых сетей (в 2019 г.)?
США
Китай
Великобритания
Россия
Слайд 67Правильные ответы
«Квантовое превосходство» в вычислениях:
Только предсказано теоретически
Достигнуто экспериментально в 2019
году
Google и IBM обещают продемонстрировать к 2024 году
Технологии квантовой
коммуникации могут применяться:Только для защиты информации
Только для передачи информации
Для обеих целей
Верно ли утверждение «Квантовая криптография всегда основана на эффекте квантовой телепортации»
Да
Нет
Системы квантовой криптографии предназначены для…
Распределения асимметричных ключей
Распределения симметричных ключей
Защищённой передачи информации
Всего перечисленного
Главным фактором, ограничивающим дальность квантовой рассылки ключей, является:
Высокое поглощение фотонов в канале связи
Невозможность регенерации сигнала с помощью усилителей
Низкие параметры детекторов одиночных фотонов
Какое свойство одиночного фотона не используется для распределения ключей методами квантовой криптографии?
Неделимость
Туннелирование
Изменение квантового состояния после измерения
Какие параметры одиночного фотона могут применяться для кодирования квантовой информации?
Фаза
Поляризация
Время прихода
Все перечисленные
Какое государство впервые провело сеанс квантовой рассылки ключей между Землёй и спутником?
США
Канада
Китай
Россия
Какому государству принадлежит мировой рекорд по общей протяжённости квантовых сетей (в 2019 г.)?
США
Китай
Великобритания
Россия
