2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Ein Beispiel für eine Paritätsmatrix, die Schlüsselübertragungsfehler anzeigt
Russische Physiker haben einen neuen Weg entwickelt, um Fehler zu eliminieren, die bei der Übertragung von Informationen über Quantenkommunikationskanäle auftreten. Diese Methode erfordert 30 Prozent weniger Prüfzyklen als die Standard-Blind-Methode und gibt weniger Details über die übergebenen Schlüssel preis. Der Artikel wurde in Physical Review Applied veröffentlicht.
Die Aufgabe der Quantenkryptographie besteht normalerweise darin, einen Verschlüsselungsschlüssel zu übertragen, eine Folge von Bits, mit deren Hilfe Nachrichten, die über normale Kommunikationskanäle übertragen werden, sicher verschlüsselt werden können. Die Besonderheit von Quantenkanälen besteht darin, dass ein Angreifer beim Versuch, Informationen abzufangen, Messungen über einem Quantenobjekt vornehmen muss, was unweigerlich zu einer Verletzung des Quantenzustands des Systems führt. Aus diesem Grund unterscheidet sich die empfangene Bitfolge von der gesendeten, und dieser Unterschied kann leicht durch Überprüfung der klassischen Kanäle identifiziert werden. Bei dieser Überprüfung müssen die Teilnehmer jedoch einige Informationen über den Originalschlüssel austauschen, was den Übertragungsprozess verlangsamt und weniger zuverlässig macht.
Auf der anderen Seite können bei der Übertragung von Informationen über Quantenkanäle in der Realität spontan Fehler auftreten, selbst wenn ein Angreifer nicht versucht, das Signal abzufangen. Daher kann die Phase der Abstimmung der Schlüssel nicht übersprungen werden. Darüber hinaus sind manchmal mehrere Kontrollrunden erforderlich, um Fehler zu korrigieren. Zum Beispiel kann die Anzahl der Kommunikationszyklen auf einem klassischen Kanal dreißig erreichen, wenn das populäre iterative Verfahren "Cascade" verwendet wird, das auf dem Vergleich der Parität von gesendeten und empfangenen Nachrichten basiert. Andere Methoden werden entwickelt, um die Übertragung des Schlüssels zu beschleunigen und die Wahrscheinlichkeit seiner Kompromittierung zu verringern.
Eine dieser Methoden wurde in ihrer Arbeit von Wissenschaftlern des RCC vorgeschlagen. Diese Methode basiert auf der "blinden" Verifikationsmethode und ist wie folgt. Zunächst modifiziert jede der Parteien ihren bestehenden Schlüssel und ergänzt ihn durch Bitfolgen, von denen sie sicher sind, dass sie zusammenfallen, und Folgen von zufällig generierten Zeichen. Dann berechnen sie die besondere Eigenschaft (Syndrom) des erweiterten Schlüssels und leiten ihn gleichzeitig über den klassischen Kanal an die andere Seite weiter. Durch den Vergleich von Schlüsselsyndromen kann festgestellt werden, ob bei der Übertragung über den Quantenkanal Fehler gemacht wurden und teilweise sogar korrigiert werden. Wenn kein eindeutiges Vertrauen in die Übereinstimmung der Schlüssel besteht, sendet jede der Parteien eine kleine Information über den Code, den sie hat, und wiederholt die gleiche Abfolge von Aktionen.
So konnten die Wissenschaftler die Zahl der Kontrollen gegenüber der üblichen „blinden“Methode reduzieren, bei der die Parteien streng sequentiell Informationen austauschen. Mit dem neuen Verfahren lag die Zahl der Kommunikationszyklen auf dem klassischen Kanal im Durchschnitt um 30 Prozent unter der des alten. Außerdem wird mit zunehmender Interferenz im Kanal die Anzahl der Zyklen konstant und hängt praktisch nicht von der Bitfehlerrate ab.
Abhängigkeit vom Rauschanteil im Übertragungskanalwirkungsgrad (oben) und der Anzahl der Testzyklen (unten)
Ein weiterer wichtiger Indikator für die Qualität eines Verhandlungsprotokolls ist seine Effizienz. Grob gesagt ist dies ein Merkmal, das angibt, wie viel "zusätzliche" Informationen für die Schlüsselübereinstimmung im Vergleich zum theoretischen Grenzwert übertragen wurden. Je näher sein Wert bei eins liegt, desto besser. Es stellte sich heraus, dass die Effizienz der symmetrischen Blindmethode auch höher ist als die der konventionellen Blindmethode, und das bei jeder Fehlerquote.
Im vergangenen Jahr starteten Physiker des RCC die erste Quantenkommunikationsleitung in Russland in einer städtischen Umgebung, über die Filialen der Gazprombank Verschlüsselungsschlüssel austauschten. Wissenschaftler haben die Fähigkeiten der neuen Methode bereits auf dieser Linie getestet und sichergestellt, dass sie funktioniert.
Mehr darüber, wie die Quantenkryptographie funktioniert, lesen Sie in unserem Interview mit Wissenschaftlern des RCC. Einer der von uns interviewten Wissenschaftler ist übrigens Co-Autor eines neuen Artikels.
