פודקאסט: פריצות קוונטיות והפצת מפתחות

אנטון קוזובוב השתתף בפרק השלישי, ראש קבוצה תיאורטית מעבדה לתהליכים ומדידות קוונטיים. דנו בעבודתו ובפרטי התעשייה.

גרסת אודיו: Apple Podcasts · Yandex.Music · PodFM · Google Podcasts · YouTube.

בתצלום: אנטון קוזובוב

כמה מילים על הפרט של הענף

קוד זמן - 00:16

דמיטריקבאנוב: עד כמה שידוע לי, אתה עוסק בנושאים מאוד מיוחדים.

אנטון: כן, יש דעה כזו, אבל אנחנו מנסים לעבור לדברים יסודיים יותר. למרות שיותר ויותר אנשים מתעניינים בתחום ההצפנה הקוונטית, זה לא התחום החם ביותר של המדע. יש כאן בסיס טוב, אבל הטכנולוגיה כבר הגיעה לשלב הנדסי של פיתוח.

הכל החל להתפתח עוד בשנות ה-80 של המאה הקודמת, ובסטנדרטים מדעיים, עבר די הרבה זמן. מדענים עברו מתיאוריה וניסויים לדגמים ממשיים ולמכשירים הפועלים במלואם. מערכות כאלה קיימות זה מכבר בשוויץ, שם פועלת ID Quantique. הם הושקו ב-2005 או 2006, ובעשור זה החלו לספק מערכות הצפנה קוונטית לבנקים שוויצרים ואוסטריים. זו כבר לא הטכנולוגיה של העתיד.

עדיין נותרו שאלות רבות במונחים של הוכחת הסודיות של מערכות כאלה. זה מה שאנחנו עושים הכי הרבה בתחום הזה. אבל העקרונות הבסיסיים כבר נגזרו.

דמיטרי: האם תוכל לספר לנו מה גרם למומחים ללמוד תחום זה בפירוט? איך הם תיארו את הבעיות והאתגרים הראשוניים שאיתם התמודדו?

אנטון: זה סיפור מצחיק. כמו שקורה תמיד במדע, התחלנו ללמוד את הנושא פשוט כי הוא הפך למעניין. לא הייתה מטרה מיוחדת. באותה תקופה האמינו שזוהי שיטה מאובטחת לחלוטין להעברת נתונים, ובאותה תקופה היא הייתה מתקדמת באמת. נושא אבטחת המידע נעשה יותר ויותר רלוונטי, אך בנוסף לכך, הגענו גם למסקנה שניתן ליצור מחשב מסוג חדש באמצעות אפקטים קוונטיים שונים. יש להם יכולות מעניינות למדי, כולל היכולת לשבור קריפטוגרפיה קיימת.

דמיטרי: סוגיות של הגנה עלו לפני, למשל, במהלך המלחמה הקרה. אבל האם תחילתה של תעשייה זו הייתה קרובה להופעתם של רשתות המוניות יחסית?

אנטון: אתה צודק. אתה יכול גם להסתכל על זה מנקודת מבט זו. אבל הדבר המצחיק הוא שתחום ההצפנה הקוונטית התגלה על ידי שני אנשים שהיו קשורים יותר לתחום ה-IT. הם הציגו את עבודתם הראשונה, שתיארה את העקרונות הבסיסיים, בכנס IT. אז כן, זה בא משם.

דמיטרי: איך הגעת לתחום הזה? מה הייתה המוטיבציה שלך?

אנטון: בכנות, זה היה דומה - זה היה מעניין. אבל בהתחלה לא נכנסתי להצפנה קוונטית. התחיל עם טלפורטציה קוונטית. התברר שהבעיות בנושא זה לא כל כך רלוונטיות לצרכי המעבדה, אז עברתי להצפנה קוונטית. אבל לעשות רק דבר אחד זה לא מעניין במיוחד, ויש גם הרבה תחומים הקשורים זה בזה, אז אנחנו לא יכולים לדבר על האופי המיוחד של הפעילויות שלנו.

הזדמנויות למדענים מתחומים קשורים

קוד זמן - 06:24

דמיטרי: על הערה לגבי השתתפותך בוועידה הקנדית אנו יכולים לומר שמעגל מצומצם למדי של אנשים מעורב בנושא זה. האם תוכל להעריך את מספר המומחים בתחומך? או שזה עדיין מועדון מאוד סגור?

אנטון: הוא סגור, אבל רק בחלק העילי יחסית שלו. יש הרבה אנשים בעולם המעורבים בתורת המידע הקוונטי על ביטוייה השונים. אין לי מושג איך להעריך את מספרם, אבל זה בהחלט יותר משלושים אנשים שהיו בכנס.

אני חושב שזה אפילו לא אלפית מכולם. אנשים רבים הולכים כי זהו אחד התחומים המתקדמים ביותר במדע. לכל המכונים המובילים יש מעבדה תורת המידע הקוונטית או אופטיקה קוונטית ודברים קשורים. שאלה נוספת היא כמה אנשים שקועים בנישה כל כך מיוחדת כמו הוכחת חוזקן של מערכות הצפנה קוונטית.

קהילה זו קטנה יותר, אך עדיין נרחבת. מי שהשתתפו בכנס לא היו כולם מומחים מובילים בתחום זה. יש כמאה מהם בכל רחבי העולם. עדויות לחוזקן של מערכות הצפנה קוונטיות הופיעו לאחרונה, בתחילת שנות ה-2000. אנשים שעובדים בתחום הזה עשו בעבר דברים אחרים. למשל, אופטיקה קוונטית, מחקר יסודי. הם עדיין רלוונטיים. הם הגיעו לאזור שלנו מהפיסיקה.

יש גם כאלה שבאים מתורת המידע הקלאסית או מתמטיקה. בהערכת עדויות להתנגדות, סוגים שונים של אנטרופיה משחקים תפקיד מכריע. איפה עוד משתמשים בהם - בתרמודינמיקה. אנשים שמבינים כיצד פועלות אנטרופיות קוונטיות בתורת המידע יכולים ליישם את הידע שלהם על תרמודינמיקה קוונטית. אחד המדענים המובילים בתחום זה, רנאטו רנר מציריך, לומד שם תורת מידע קוונטי, ובסנטה ברברה נותן קורס הרצאות בנושא תרמודינמיקה קוונטית.

אילו אתגרים מתמודדת הקהילה?

קוד זמן - 10:37

דמיטרי: על אילו שאלות אתה עובד היום? מהם האתגרים שבחזית? מה מייצג כעת את הסרגל שצריך להזיז הלאה?

אנטון: אפשר לדבר על זה משני צדדים שונים. לדעתי החלק היישומי פחות מעניין. הפצת מפתחות קוונטיים כבר הגיעה לקנה מידה תעשייתי, אבל כולם רוצים להבין איך הם יכולים לוודא שעוסקים בהפצה קוונטית ולא במשהו אחר. לשם כך, יש צורך לאשר את הציוד, ולכן פיתוח תקנים מיוחדים הוא אחת הבעיות העיקריות בעולם, בנוסף לחלק ההנדסי. רוב המדענים המובילים בתחום זה מכוונים את מאמציהם לכך.

ההיבט השני של הפעילות שלנו הוא הוכחה לחוסן של מערכות. קריפטוגרפיה קלאסית מבוססת על ההנחה שלתוקף פשוט אין מספיק כוח מחשוב כדי לפענח את הנתונים בזמן שהם עדיין תקפים. אבל בהחלט יכול להיות שהנחות כאלה לא תמיד נכונות, ולכן צריך לעבור לפרדיגמת הגנת מידע אחרת – כדי להבטיח שהיכולת לפענח לא תשתנה עם הזמן.

אנחנו עושים הפצת מפתח קוונטי. זה אומר שאנחנו מפיצים את המפתח שצריך להשתמש בו כדי להצפין את המידע. מפתח כזה יכול להיגנב, אבל אנחנו מנסים להציג פרדיגמה שבה זה לא יתאפשר. אם במהלך ההפצה שלו מישהו פולש לערוץ שלנו, אנחנו תמיד נשים לב לזה. זהו הבסיס לפרדיגמה הקלאסית של ההצפנה הקוונטית. זה מושג על ידי שימוש בפוטונים בודדים.

יש להם שלושה נכסים. אלו חלקים מינימליים של אנרגיה; לא ניתן לחלק אותם ואז, למשל, לחזק אותם. לא ניתן להעתיק אותם. אי אפשר להעתיק מצב קוונטי לא ידוע, כי בשביל זה צריך למדוד אותו, ולא ניתן לעשות זאת מבלי להרוס את המצב הקוונטי. כאשר אנו מודדים אותו, הוא קורס.

בשל מאפיינים אלו, ניתן להסתכל על היכולות של תוקף – אנו קוראים לו איב (ממצותת) – מנקודת מבט אחרת. אנחנו אומרים שאנחנו נותנים לחוה את כל מה שאפשר בגבולות חוקי הפיזיקה. זיכרון קוונטי, גלאים אידיאליים - אין לנו אפילו קרוב לזה, אבל אנחנו נותנים לו הזדמנויות כאלה. וגם בהתחשב בכך, אנו אומרים שהיא לא תקבל את נתוני המפתח מבלי שנדע זאת. על זה נבנתה במקור פרדיגמת ההצפנה הקוונטית.

אבל כל זה טוב כל עוד אנחנו מדברים על פוטונים בודדים. עם זאת, מקורות של פוטונים בודדים הם קפריזיים למדי, מהירים ויקרים, כך שאף אחד לא משתמש בהם בתהליך הזה. כולם משתמשים בקרינת לייזר מוחלשת.

דמיטרי: ואיך זה בהשוואה לנכסים שדיברת עליהם?

אנטון: משנה את הפרדיגמה והגישה להוכחת חוסן. זו עדיין משימה אפשרית, אבל הרבה יותר קשה. במצב שבו אנו משתמשים במשהו שהוא לא בדיוק מה שהיינו צריכים בנסיבות אידיאליות, כלומר מצבים מוחלשים קוהרנטיים, עלינו לקחת זאת בחשבון בהוכחות ההתמדה שלנו. אנחנו עושים את זה, וכל העולם מתקדם בכיוון הזה.

דמיטרי: האם גישה זו לוקחת בחשבון את הציוד בקצות ערוץ התקשורת?

אנטון: בתחילה, הפצת מפתח קוונטי השתמשה בקירוב כמו הרעיון שאיב לא יכולה להיכנס לקופסאות של אליס ובוב, אלא יש לה רק גישה לערוץ התקשורת. זה לא קירוב סביר מאוד. היום יש פריצה קוונטית. הוא אומר לנו שבסיב אופטי או ערוץ קוונטי אפשר בהחלט לשנות את ה"הגדרות" באמצעות חשיפה.

כיוון זה נלקח בחשבון בענייני הסמכה. יש לנו מעבדה גדולה במוסקבה שבה עובד ואדים מקרוב, כנראה ה"האקר הקוונטי" המפורסם ביותר בעולם. במדינות אחרות הם מאוד פעילים עושים את זה. זה מה שהתכוונתי אליו. איך איב יכולה להיכנס לקופסאות שלנו היא יותר בעיה הנדסית. נהגתי להחשיב את עצמי כמדען, אז מעניין אותי להסתכל על איב מנקודת מבט אחרת. למשל, ללמוד איך היא יכולה להיכנס לערוץ התקשורת ולגנוב הכל בלי שנשים לב. אני מעדיף לעבוד לא בשביל החבר'ה הטובים, אליס ובוב, אלא לחקור התקפות אפשריות על מערכות הפצת מפתחות קוונטיים.

מבוא קצר ל-Quantum Hacking

קוד זמן - 21:42

דמיטרי: האם אתה יכול לתאר את המאפיינים של התקפות כאלה?

אנטון: המאפיינים המקובלים מחולקים לשלושה מחלקות. התקפות Man-in-the-middle דומות להתקפות man-in-the-middle (MITM) קלאסיות. הסוג השני מופשט יותר, כאשר חוה מקיימת איכשהו אינטראקציה עם כל חבילה בערוץ הקוונטי שלנו ומאחסנת את התוצאה של אינטראקציה כזו בזיכרון הקוונטי שלה. לאחר מכן, היא ממתינה שההליכים שאליס ובוב מבצעים יסכימו, תקבל עוד מידע, מבצעת מדידות וכו'. אלו הן התקפות קולקטיביות, אבל יש סוג שלישי - אפילו יותר מופשט. מתווספת שם הערכה של פרמטרים אמיתיים.

עבור סוג ההתקפה השני, אנו מניחים שאליס ובוב חולקים ביניהם מספר אינסופי של ביטים. במציאות זה בלתי אפשרי, וברגע שאנחנו הולכים לנפחים סופיים מתחילות להופיע תנודות סטטיסטיות. אולי הם משחקים לידיה של איב. התקפות קוהרנטיות לוקחות בחשבון גם את סופיות המשאבים. זה דבר מורכב, ולא לכל פרוטוקולי הפצת מפתחות קוונטיים יש הוכחה כה מקיפה לאבטחה.

חשוב להבין שאנו משדרים סיביות מפתח ויוצרים מפתחות. איך אתה משתמש בהם עוד יותר תלוי בך. כאן נכנסות לתמונה בעיות הצפנה. אם אתה לוקח אלגוריתמים מודרניים כמו הצפנה א-סימטרית, רק להשתמש במפתחות האלה, זה לא מועיל. השיטה היחידה להבטיח התנגדות היא משטח הצפנה. אז אין שאלות, אבל בשביל זה אתה צריך ליצור מפתחות בכל פעם ולשנות אותם עבור כל הודעה. זהו תהליך מורכב.


המהות של הפצת מפתח קוונטי היא שלכל ההתקפות של איב, אנחנו יכולים להקצות נפח כזה של ביטים מבוזרים שרק אליס ורק בוב יידעו. איב לא תדע עליו. זו המטרה העיקרית של העבודה שלנו. אבל אני מעוניין לבוא עם התקפות כאלה כדי שאליס ובוב יהיו בטוחים בביטחונם, ואיב תסדר הכל בצורה כזו שתעקוף את ההגנה.

אתה לא יכול פשוט לקחת את זה ולא להפריע לעמיתים שלך

קוד זמן - 26:18

דמיטרי: מסתבר שעבודה כזו בחזית יכולה בקלות לבטל את התוצאות של עמיתים בקהילה הבינלאומית?

אנטון: טה, הערה הסמינר הקנדי שדיברת עליו הוא בדיוק מה שהוא עוסק בו. שם אמרתי שזה בדיוק מה שעשינו, מה שגרם לשטף שליליות. זה ניתן להסבר. אנשים עוסקים במדע כבר עשרים וחמש שנים, ואז מישהו בא ואומר שהתוצאות שלהם לא היו לגמרי נכונות. זה גם מראה איך זה ייעשה נכון. זה היה מאוד מתנשא מצידי. אבל אני מאמין שהצלחנו לבצע מתקפה שרבים אפילו לא מחשיבים או לוקחים בחשבון.

דמיטרי: האם תוכל לדבר על זה ולתאר את זה לפחות במונחים כלליים?

אנטון: כן בטח. הדבר המצחיק הוא שמדובר בהתקפת חטיפה-וקדימה - הפשוטה ביותר שאתה יכול לחשוב עליה. רק שזה קצת שונה ומסובך, כמו שהייתי אומר. כיום, כאשר מסתכלים על הוכחה להתמדה, אנשים אומרים שכל הערוצים הקוונטיים פשוט מתארים את ההפצה מחדש של המידע בין אליס, בוב וחווה.

מה שחשוב הוא שבמקרה זה כל המדידות של מצבים קוונטיים מתרחשות לאחר התפלגות זו. אנו מציעים לתאר ערוץ קוונטי בצורה כזו שהיא מכילה ממד ביחס אליו משתנים מצבים ונכפים על בוב. באופן יחסי, יש לנו משהו באמצע הערוץ, הוא מנסה להבחין בין מדינות, מה הוא מבדיל הוא שולח לבוב, מה שהוא לא מבדיל הוא חוסם. לפיכך, כל מה שמגיע לבוב ידוע לאב. זה נראה כמו רעיון ברור, אבל משום מה אף אחד בעולם לא מדבר על זה.

דמיטרי: ואתה הראית את האפשרות התיאורטית לבצע פיגוע כזה.

אנטון: כן, דיברתי על זה בטורונטו. היו לנו דיונים סוערים מאוד עם אנשים שעובדים בתחום הזה כל עוד אני בחיים. זה היה מעניין, חוויה מאוד שימושית.

למה חשוב לא למהר לפרסם שיטות הגנה

קוד זמן - 29:50

דמיטרי: כדי להשתמש באנלוגיה בסיסית עם וירוס ואנטי וירוס, תחום הפעילות והמושג שלך כרוך בתהליך בצורת T הרחק ממסלול המרוץ של אחד אחרי השני. האם נוכל לומר שגישה כזו תיצור צרורות חדשות של בעיות והן יצטרכו להיפתר במישורים אחרים, ולא רק באחד, כמו עכשיו?

אנטון: שאלה מאוד הוגנת. אני חייב להיות ברור כאן. כמובן, אני יותר מעוניין להמציא דרכים לתקוף. אבל כולנו עובדים בתחום של הפצת מפתחות קוונטיים, אנחנו מקבלים על זה תשלום, ואנחנו לא באמת רוצים להכניס חישור לגלגלים שלנו. זה הגיוני. כאשר אתה מגיע עם מתקפה חדשה על מערכות הפצת מפתחות קוונטיים, זה יהיה נחמד להמציא איזשהו אמצעי נגד. עשינו את זה, מצאנו דרך להתמודד עם זה. זה לא הכי טריוויאלי, אבל זה קיים. אפשר לכסות בעיות כאלה, אבל שאלה נוספת היא שכשאנשים לא מדברים על בעיות, ברור שהם לא לוקחים אותן בחשבון. זה אומר שאין להם אמצעי נגד.

בתצלום: אנטון קוזובוב

דמיטרי: האם הגישה הזו היא סוג של קוד לא מדובר בקהילה שלך?

אנטון: כן, אבל אני לא חושב שזה נכון להציע פתרון. חשוב להעלות את הנושא. אז מישהו יכול למצוא פתרונות צד חוץ ממה שיש לך. אם תפרסם הכל בבת אחת, אנשים ייקחו מה שמוכן ולא תהיה התפתחות מחשבתית.

דמיטרי: האם זה בטוח לומר אם כך שהפתרון שלך עשוי להיות משהו כמו גרסת בטא, ואיפשהו בשרוול שלך אולי יש משהו אפילו יותר מעניין ששמרת לעצמך?

אנטון: אולי.

קצת על אינטראקציה עם ארגונים רגולטוריים

קוד זמן - 33:09

דמיטרי: תחום זה משך את תשומת הלב של כל מיני רשויות רגולטוריות וסוכנויות מודיעין. האם כל זה לוקח זמן מבחינת תיאום התפתחויות כלשהן?

אנטון: שאלה טובה מאוד! אני אנסה לענות על זה בצורה הכי מתחמקת שאפשר. זה תופס חלק משמעותי מהזמן שניתן להשקיע בפרויקטים מדעיים באמת. אבל אני מבין למה זה חשוב.

דמיטרי: בדיוק כמו עם ההסמכה שדיברנו עליה קודם. אתה פשוט לא יכול לשכור עוזר שיתקשר עבורך. האם מדענים צריכים להסביר את הניואנסים ישירות לכל הארגונים הרגולטוריים ולעזור להם להבין זאת?

אנטון: כן, זה בדיוק זה. זו הגישה הנכונה. אף אחד לא יכול להסביר טוב יותר ממך בעצמך מה עשית. אם אינך יכול לעשות זאת, עולות שאלות לגבי מציאות ההישגים שלך. אבל אם הייתה הזדמנות לעשות רק מדע, הייתי מעדיף לעשות רק מדע. אבל כל זה הוא חלק חשוב מהעבודה שלנו, שאנחנו גם עושים.

דמיטרי: יש לך זמן לפרויקטים אישיים?

אנטון: נושא מורכב. אנחנו מוצאים זמן ועושים דברים צדדיים. אלו בעיות עקרוניות יותר. קחו למשל טלפורטציה קוונטית - לדוגמה, אנחנו מכינים פרסום בנושא זה. אנחנו לוקחים בעיות אחרות, משהו מאופטיקה קוונטית, מתורת המידע הקוונטי. אלו דברים מעניינים. אנחנו מנסים למצוא זמן, כי החיים בלעדיו משעממים לגמרי. אי אפשר להתמודד עם ניירת לבד. אנחנו צריכים גם לעשות מדע.

על ההבחנה בין מדע יסוד למדע יישומי

קוד זמן - 36:07

דמיטרי: אם תנסה להעריך את קצב השינוי בתחום שלך, את היקף הפרסומים המדעיים. איך זה משפיע על העבודה והעניין שלך בתעשיות קשורות?

אנטון: האזור שלנו הוא נושא חם. יש כמות פרועה של מאמרים שיוצאים. אפילו מספר המאמרים הרלוונטיים באמת הוא עצום. קשה לעקוב אחר כולם, זה פשוט בלתי אפשרי.

דמיטרי: האם יש תלות חזקה בתהליך המעקב הזה? או שהפרויקטים שלכם מבודדים מספיק כדי להגיע למטרה ללא הסחות דעת?

אנטון: הבידוד הוא די מינוס. כשאתה תבשיל במיץ שלך, אתה מפסיק לשים לב לטעויות. אתה אולי חושב שאתה עושה הכל נכון, אבל יש טעות בסיסית שמתגנבת למקום שאתה מפספס. זה טוב כשיש אנשים בעולם שעושים דברים דומים. אם אתה יכול להשיג דברים דומים במידה מסוימת, אז אתה הולך בכיוון הנכון. אם התוצאות שונות, זו סיבה לנהל שיחה ולברר מי צודק.

דמיטרי: אבל העבודה מתרחשת במעגל סגור יחסית של אנשים? האם אלו לא מאות אנשים?

אנטון: הוגן, אבל לא תמיד. בקבוצה שלנו, שלושה אנשים מעורבים בהוכחת התמדה: אני, עמיתי והמנחה המדעי שלנו. אם ניקח תחומים רחבים יותר - אופטיקה קוונטית, תורת המידע - אנחנו חמישה. אם אנחנו מדברים על מערכות הפצה של מפתח קוונטי, יש אנשים במוסקבה, נובוסיבירסק, קאזאן. אבל באירופה ובארה"ב מדובר בקבוצות תיאורטיות גדולות.

דמיטרי: מה מאפיין את ההבדל הזה בקנה מידה?

אנטון: אלו דרכים שונות לפיתוח מדע. שלנו שונה מהאירופי. המדע כאן הולך בדרך של מחקר יישומי, שהוא נחוץ ורלוונטי כרגע. אני לא מגנה גישה זו, אבל אני מחשיב אותה לא מאוד מדעית. אני מתרשם יותר מהמערבי - הבחנה ברורה בין מדע יסוד למדע יישומי. כשאין צורך לדרוש תוצאות מעשיות מהמדע היסודי כרגע. לכן זה עקרוני, כדי לא להתעסק בדברים יישומיים.

במיוחד חוזרים לציריך. זהו מכון גדול העוסק אך ורק במחקר יסודי. אנשים לומדים דברים שמסבירים לנו את יסודות היקום ועוזרים לנו להבין אותם טוב יותר. הם באים לשם כי זה מה שהם רוצים לעשות. אצלנו העניין מלווה בצורך, בצורך לעשות משהו אחר ברגע. לכן, יש הבדל כזה בתפיסה ובהתפתחות. אלו שני מסלולים שונים לחלוטין.

דמיטרי: האם הצורך הזה תלוי באופק התכנון של הארגון השולט, הקהילה המדעית או משהו אחר?

אנטון: זה מוסדר לפי מי שמקצה את הכסף. מי שמשלם קורא למנגינה. אנו רואים עניין רב בציוד כאן ועכשיו. באירופה יש קרנות המיועדות למחקר יסודי. זה תלוי במי שנותן את הכסף.

פרקים נוספים של הפודקאסט שלנו ב-Habré:

• כיצד לגשת לסנכרון של תוכן AR עם מופע בקנה מידה של אצטדיון
• מה משותף להדמיית נתונים מדעית ולפיתוח משחקים?
• מה מחכה למדענים שאפתנים בתחום ה-IR?

מקור: www.habr.com