Подкаст: Квантово хакване и разпространение на ключове

Антон Козубов участва в третия епизод, глава теоретична група Лаборатория по квантови процеси и измервания. Обсъдихме работата му и спецификата на бранша.

Аудио версия: Apple Podcasts · Yandex.Music · PodFM · Подкасти на Google · YouTube.

На снимката: Антон Козубов

Няколко думи за спецификата на индустрията

Времеви код - 00:16

дмитрикабанов: Доколкото знам, вие се занимавате с тясно специализирани теми.

Антон: Да, има такова мнение, но ние се опитваме да преминем към по-фундаментални неща. Въпреки че все повече хора се интересуват от областта на квантовата криптография, тя не е най-горещата област на науката. Тук има добра основа, но технологията вече е достигнала инженерния етап на развитие.

Всичко започна да се развива още през 80-те години на миналия век и по научни стандарти е минало доста време. Учените преминаха от теория и експерименти към действителни макети и напълно функциониращи устройства. Такива системи отдавна съществуват в Швейцария, където работи ID Quantique. Те стартираха през 2005 или 2006 г. и през това десетилетие започнаха да доставят системи за квантова криптография на швейцарски и австрийски банки. Това вече не е технологията на бъдещето.

Все още остават много въпроси по отношение на доказването на секретността на такива системи. Това е, което правим най-много в тази област. Но основните принципи вече са изведени.

Дмитрий: Можете ли да ни кажете какво накара специалистите да проучат подробно тази област? Как те описаха първоначалните проблеми и предизвикателства, пред които са се изправили?

Антон: Това е смешна история. Както винаги се случва в науката, започнахме да изучаваме темата, просто защото стана интересна. Нямаше конкретна цел. По това време се смяташе, че това е абсолютно сигурен метод за предаване на данни и по това време беше наистина напреднал. Темата за информационната сигурност стана все по-актуална, но освен това стигнахме до извода, че е възможно да се създаде нов тип компютър с помощта на различни квантови ефекти. Те имат доста интересни възможности, включително способността да разбиват съществуваща криптография.

Дмитрий: Въпроси за защита са възниквали и преди, например по време на Студената война. Но дали началото на тази индустрия беше близо до появата на относително масови мрежи?

Антон: Прав си. Можете също да го погледнете от тази гледна точка. Но най-смешното е, че областта на квантовата криптография е открита от двама души, които са били по-свързани с IT сферата. Те представиха първата си работа, която описва основните принципи, на ИТ конференция. Така че да, идва от там.

Дмитрий: Как попаднахте в тази сфера? Каква беше вашата мотивация?

Антон: Честно казано, беше подобно - беше интересно. Но първоначално не се занимавах с квантова криптография. Започна с квантова телепортация. Оказа се, че задачите по тази тема се оказаха не толкова подходящи за нуждите на лабораторията, затова преминах към квантовата криптография. Но да правиш само едно нещо не е особено интересно, а има и много взаимосвързани области, така че не можем да говорим за тясно специализиран характер на нашите дейности.

Възможности за учени от сродни области

Времеви код - 06:24

Дмитрий: На бележка за участието ви в канадската конференция можем да кажем, че доста ограничен кръг от хора участват в тази тема. Бихте ли оценили броя на специалистите във вашата област? Или все още е много затворен клуб?

Антон: Затворен е, но само в сравнително елитната му част. Има много хора по света, занимаващи се с квантовата теория на информацията в нейните различни проявления. Нямам представа как да преценя техния брой, но определено са повече от тридесет души, които присъстваха на конференцията.

Мисля, че това не е дори една хилядна от всички. Много хора отиват, защото това е една от най-напредналите области на науката. Всички водещи институти имат лаборатории квантовата теория на информацията или квантовата оптика и свързани неща. Друг е въпросът колко хора са потопени в такава специализирана ниша като доказването на силата на квантовите криптографски системи.

Тази общност е по-малка, но все пак обширна. Не всички присъстващи на конференцията бяха водещи експерти в тази област. Има около сто от тях по целия свят. Доказателства за силата на квантовите криптографски системи се появиха наскоро, в началото на 2000-те години. Хората, които работят в тази сфера, преди са се занимавали с други неща. Например квантова оптика, фундаментални изследвания. Те все още са актуални. Те дойдоха в нашата област от физиката.

Има и такива, които идват от класическата теория на информацията или математиката. При оценката на доказателствата за резистентност различните видове ентропия играят решаваща роля. Къде другаде се използват - в термодинамиката. Хората, които разбират как работят квантовите ентропии в теорията на информацията, могат да приложат знанията си към квантовата термодинамика. Един от водещите учени в тази област, Ренато Ренер от Цюрих, изучава там квантова теория на информацията, а в Санта Барбара изнася лекции по квантова термодинамика.

Пред какви предизвикателства е изправена общността?

Времеви код - 10:37

Дмитрий: По какви въпроси работите днес? Какви са предизвикателствата на преден план? Какво сега представлява летвата, която трябва да бъде преместена?

Антон: Можем да говорим за това от две различни страни. Според мен приложната част е по-малко интересна. Квантовото разпределение на ключове вече е достигнало индустриален мащаб, но всеки иска да разбере как може да се увери, че се занимава с квантово разпределение, а не с нещо друго. За целта е необходимо да се сертифицира оборудването, така че разработването на специализирани стандарти е един от основните проблеми в света, в допълнение към инженерната част. Повечето от водещите учени в тази област насочват усилията си към това.

Вторият аспект на нашата дейност е доказателство за устойчивостта на системите. Класическата криптография се основава на предположението, че нападателят просто няма достатъчно изчислителна мощност, за да дешифрира данните, докато те все още са валидни. Но може да се окаже, че подобни предположения не винаги са правилни, така че трябва да преминем към различна парадигма за защита на данните - за да гарантираме, че способността за дешифриране не се променя с времето.

Извършваме квантово разпространение на ключове. Това означава, че ние разпространяваме ключа, който трябва да се използва за криптиране на информацията. Такъв ключ може да бъде откраднат, но ние се опитваме да въведем парадигма, в която това няма да е възможно. Ако по време на разпространението му някой нахлуе в канала ни, ние винаги ще го забележим. Това е основата на класическата парадигма на квантовата криптография. Това се постига чрез използване на единични фотони.

Имат три свойства. Това са минимални порции енергия, те не могат да бъдат разделени и след това, например, усилени. Те не могат да бъдат копирани. Неизвестно квантово състояние не може да бъде копирано, защото за това трябва да бъде измерено, а това не може да стане без да се разруши квантовото състояние. Когато го измерим, той се срива.

Благодарение на тези свойства можете да погледнете на възможностите на нападателя - ние го наричаме Ева (от eavesdropper) - от различна гледна точка. Казваме, че даваме на Ева всичко, което е възможно в рамките на законите на физиката. Квантова памет, идеални детектори - ние нямаме дори близо до това, но му даваме такива възможности. И дори имайки това предвид, ние казваме, че тя няма да получи ключовите данни, без ние да го знаем. Това е, върху което първоначално е изградена парадигмата на квантовата криптография.

Но всичко това е добре, стига да говорим за единични фотони. Източниците на единични фотони обаче са доста капризни, нискоскоростни и скъпи, така че никой не ги използва в този процес. Всички използват отслабено лазерно лъчение.

Дмитрий: И как това се сравнява с имотите, за които говорихте?

Антон: Променя парадигмата и подхода за доказване на устойчивост. Това все още е изпълнима задача, но много по-трудна. В ситуация, в която използваме нещо, което не е точно това, от което бихме имали нужда при идеални обстоятелства, а именно кохерентни отслабени състояния, трябва да вземем това предвид в нашите доказателства за устойчивост. Ние правим това и целият свят се движи в тази посока.

Дмитрий: Този подход взема ли предвид оборудването в краищата на комуникационния канал?

Антон: Първоначално квантовото разпределение на ключовете използваше приближения като идеята, че Ева не може да влезе в кутиите на Алис и Боб, а има достъп само до комуникационния канал. Това не е много жизнеспособно приближение. Днес има квантово хакване. Той ни казва, че в оптично влакно или квантов канал е напълно възможно да промените „настройките“ с помощта на експозиция.

Тази посока се взема предвид при въпросите на сертифицирането. Имаме голяма лаборатория в Москва, където работи Вадим Макаров, може би най-известният „квантов хакер“ в света. В други страни те много активно правят това. Това е, което имах предвид. Как Ева може да влезе в нашите кутии е по-скоро инженерен проблем. Смятах се за учен, така че ми е интересно да погледна Ева от друга гледна точка. Например, проучете как тя може да влезе в комуникационния канал и да открадне всичко, без да забележим. Предпочитам да работя не за добрите момчета, Алис и Боб, а да разследвам възможни атаки срещу системи за квантово разпространение на ключове.

Кратко въведение в квантовото хакване

Времеви код - 21:42

Дмитрий: Можете ли да опишете характеристиките на подобни атаки?

Антон: Общоприетите характеристики са разделени на три класа. Атаките "човек по средата" са подобни на класическите атаки "човек по средата" (MITM). Вторият тип е по-абстрактен, когато Ева по някакъв начин взаимодейства с всеки пакет в нашия квантов канал и съхранява резултата от такова взаимодействие в своята квантова памет. След това тя изчаква процедурите, които Алис и Боб извършват, за да се съгласуват, получава още повече информация, прави измервания и т.н. Това са колективни атаки, но има и трети вид – още по-абстрактни. Там се добавя оценка на реални параметри.

За втория тип атака приемаме, че Алис и Боб споделят безкраен брой битове помежду си. В действителност това е невъзможно и веднага щом стигнем до крайни обеми, започват да се появяват статистически колебания. Те може да играят в ръцете на Ева. Кохерентните атаки също вземат предвид ограничеността на ресурсите. Това е сложно нещо и не всички протоколи за разпространение на квантови ключове имат толкова изчерпателно доказателство за сигурност.

Важно е да разберете, че ние предаваме ключови битове и формираме ключове. Как ще ги използвате по-нататък зависи от вас. Тук възникват проблеми с криптографията. Ако вземете модерни алгоритми като асиметрично криптиране, просто като използвате тези ключове, няма полза. Единственият метод за осигуряване на устойчивост е подложката за шифроване. Тогава няма въпроси, но за това трябва да генерирате ключове всеки път и да ги променяте за всяко съобщение. Това е сложен процес.


Същността на разпределението на квантовия ключ е, че за всички атаки на Ева можем да разпределим такъв обем от разпределени битове, че само Алис и само Боб ще знаят. Ив няма да разбере за него. Това е основната цел на нашата работа. Но ми е интересно да измисля такива атаки, така че Алис и Боб да са уверени в безопасността си, а Ева да организира всичко по такъв начин, че да заобиколи защитата.

Не можете просто да го вземете и да не безпокоите колегите си

Времеви код - 26:18

Дмитрий: Излиза, че подобна работа на преден план лесно може да анулира резултатите на колегите от международната общност?

Антон: Та, бележка канадският семинар, за който говорихте, е точно това, за което става дума. Там казах, че точно това направихме, което предизвика буря от негативизъм. Обяснимо е. Хората се занимават с наука в продължение на двадесет и пет години, а след това идва някой и казва, че резултатите му не са съвсем верни. Той също така показва как ще бъде направено правилно. Беше много арогантно от моя страна. Но вярвам, че успяхме да направим атака, която мнозина дори не обмислят или вземат под внимание.

Дмитрий: Бихте ли говорили за това и да го опишете поне в общи линии?

Антон: Да, разбира се. Най-смешното е, че това е hijack-and-forward атака - най-простата, за която можете да се сетите. Само че е донякъде модифициран и усложнен, както бих казал. Днес, когато разглеждат доказателства за постоянство, хората казват, че всички квантови канали просто описват преразпределението на информация между Алис, Боб и Ева.

Важното е, че в този случай всички измервания на квантовите състояния се случват след това разпределение. Ние предлагаме да опишем квантов канал по такъв начин, че той да съдържа измерение, спрямо което състоянията се променят и се налагат на Боб. Относително казано, имаме нещо в средата на канала, което се опитва да разграничи състоянията, това, което разграничи, изпраща на Боб, а това, което не различи, го блокира. Така всичко, което идва при Боб, е известно на Ив. Изглежда очевидна идея, но по някаква причина никой в ​​света не говори за това.

Дмитрий: И вие показахте теоретичната възможност за извършване на такава атака.

Антон: Да, говорих за това в Торонто. Имахме много разгорещени дискусии с хора, които работят в тази сфера, откакто съм жив. Беше интересно, много полезно преживяване.

Защо е важно да не бързате с методите за защита при публикуване

Времеви код - 29:50

Дмитрий: За да използвам основна аналогия с вирус и антивирус, вашата област на дейност и концепция включва Т-образен процес встрани от траекторията на надпреварата един след друг. Можем ли да кажем, че подобен подход ще създаде нови пакети от проблеми и те ще трябва да се решават на други равнини, а не само на един, както сега?

Антон: Много честен въпрос. Тук трябва да съм ясен. Разбира се, повече се интересувам от измислянето на начини за атака. Но ние всички работим в областта на квантовата дистрибуция на ключове, плащаме ни за това и всъщност не искаме да слагаме спиците в собствените си колела. Логично е. Когато измислите нова атака срещу системи за разпределение на квантови ключове, би било хубаво да измислите някакви контрамерки. Направихме го, намерихме начин да се справим с това. Не е от най-тривиалните, но съществува. Възможно е да се отразяват такива проблеми, но друг е въпросът, че когато хората не говорят за проблеми, си личи, че не ги вземат предвид. Това означава, че нямат контрамерки.

На снимката: Антон Козубов

Дмитрий: Дали този подход е някакъв неизречен код във вашата общност?

Антон: Да, но не мисля, че е правилно да предлагам решение. Важно е да се повдигне въпросът. Тогава някой може да намери странични решения освен това, което имате. Ако публикувате всичко наведнъж, хората ще вземат готовото и няма да има развитие на мисълта.

Дмитрий: Безопасно ли е да се каже тогава, че вашето решение може да е нещо като бета версия и някъде в ръкава ви може да има нещо още по-интересно, което сте запазили за себе си?

Антон: Може би.

Малко за взаимодействието с регулаторните организации

Времеви код - 33:09

Дмитрий: Тази област е привлякла вниманието на всякакви регулаторни органи и разузнавателни агенции. Всичко това отнема ли време от гледна точка на координиране на някакви разработки?

Антон: Много добър въпрос! Ще се опитам да отговоря възможно най-уклончиво. Това отнема значителна част от времето, което може да се изразходва за истински научни проекти. Но разбирам защо е важно.

Дмитрий: Точно както със сертифицирането, за което говорихме по-рано. Просто не можете да наемете асистент, който да комуникира вместо вас. Трябва ли учените да обясняват нюансите директно на всички регулаторни организации и да им помагат да го разберат?

Антон: Да точно така. Това е правилният подход. Никой не може да обясни по-добре от вас самия какво сте направили. Ако не можете да направите това, възникват въпроси относно реалността на вашите постижения. Но ако имаше възможност да се занимавам само с наука, бих предпочел да се занимавам само с наука. Но всичко това е важна част от нашата работа, която също вършим.

Дмитрий: Имате ли време за лични проекти?

Антон: Сложен въпрос. Намираме време и правим странични неща. Това са по-фундаментални проблеми. Вземете например квантовата телепортация - например, ние подготвяме публикация по тази тема. Взимаме други проблеми, нещо от квантовата оптика, от теорията на квантовата информация. Това са интересни неща. Опитваме се да намираме време, защото животът без него е напълно скучен. Невъзможно е да се справите само с документи. Ние също трябва да се занимаваме с наука.

За разграничението между фундаментална и приложна наука

Времеви код - 36:07

Дмитрий: Ако се опитате да оцените скоростта на промяна във вашата област, обемът на научните публикации. Как това влияе върху работата и интереса ви към свързани индустрии?

Антон: Нашата област е гореща тема. Излиза огромно количество статии. Дори броят на наистина уместните статии е огромен. Трудно е да ги проследите всички, просто е невъзможно.

Дмитрий: Има ли силна зависимост от този процес на проследяване? Или вашите проекти са достатъчно изолирани, за да уцелите целта без разсейване?

Антон: Изолацията е по-скоро минус. Когато се задушите в собствения си сок, спирате да забелязвате грешките. Може да мислите, че правите всичко както трябва, но някъде се прокрадва фундаментална грешка, която пропускате. Хубаво е, когато има хора по света, които правят подобни неща. Ако можете да постигнете подобни неща до известна степен, значи вървите в правилната посока. Ако резултатите се различават, това е причина да проведем разговор и да разберем кой е прав.

Дмитрий: Но работата се развива в относително затворен кръг от хора? Това не са ли стотици хора?

Антон: Честно, но не винаги. В нашата група трима души участват в доказването на постоянство: аз, колегата и нашият научен ръководител. Ако вземем по-широки области - квантова оптика, теория на информацията - ние сме петима. Ако говорим за системи за квантово разпределение на ключове, има хора в Москва, Новосибирск, Казан. Но в Европа и САЩ това са големи теоретични групи.

Дмитрий: Какво характеризира тази разлика в мащаба?

Антон: Това са различни пътища за развитие на науката. Нашето е различно от европейското. Науката тук върви по пътя на приложните изследвания, които са необходими и актуални в момента. Не осъждам този подход, но го смятам за не особено научен. Мен повече ме впечатлява западната - ясно разграничение между фундаментална и приложна наука. Когато няма нужда да изискваме някакви практически резултати от фундаменталната наука точно сега. Затова е фундаментален, за да не се занимавам с приложни неща.

По-специално, завръщането в Цюрих. Това е голям институт, който се занимава изключително с фундаментални изследвания. Хората изучават неща, които ни обясняват основите на Вселената и ни помагат да ги разберем по-добре. Те идват там, защото това е, което искат да правят. За нас интересът е придружен от нужда, необходимост да направим нещо друго в момента. Следователно има такава разлика във възприятието и развитието. Това са два напълно различни пътя.

Дмитрий: Тази нужда зависи ли от хоризонта на планиране на контролиращата организация, научната общност или нещо друго?

Антон: Това се регулира от това кой отпуска парите. Който плаща, вика мелодията. Виждаме голям интерес да имаме някакво оборудване тук и сега. В Европа има фондове, насочени към фундаментални изследвания. Зависи от тези, които дават парите.

Други епизоди от нашия подкаст на Хабре:

• Как да подходим към синхронизирането на AR съдържание с шоу на стадион
• Какво е общото между визуализацията на научни данни и разработката на игри?
• Какво очаква амбициозните учени в областта на IR?

Източник: www.habr.com