Саймон Сингх - Книга шифров .Тайная история шифров и их расшифровки
Проверка на наличие ошибок проводится после трех предварительных этапов; к этому времени Алиса и Боб уже получили одинаковые последовательности из 1 и 0. Допустим, что они создали последовательность, состоящую из 1075 двоичных цифр. У Алисы и Боба есть только один способ проверить, что их соответствующие последовательности совпадают: Алиса звонит Бобу и зачитывает ему свою последовательность целиком. К сожалению, если Ева осуществляет перехват сообщений, она сможет перехватить и полный ключ. Ясно, что проверять всю последовательность неразумно, да в этом и нет необходимости. Вместо этого Алиса просто должна выбрать какие-нибудь произвольные 75 цифр и проверить только их. Если эти 75 цифр совпадают с теми, которые получил Боб, то весьма маловероятно, чтобы Ева смогла осуществить перехват в процессе первоначальной передачи фотонов. В действительности, вероятность того, что Ева подключилась к телефонной линии и не повлияла на измерения Боба этих 75 цифр, составляет менее одной триллионной. Ввиду того, что эти 75 цифр открыто обсуждались Алисой и Бобом, они просто отбрасывают их, и их одноразовый шифрблокнот таким образом сокращается с 1075 до 1000 двоичных цифр. С другой стороны, если Алиса и Боб обнаружат несоответствие среди этих 75 цифр, тогда им станет известно, что Ева осуществила перехват; в этом случае им придется отказаться полностью от этого одноразового шифрблокнота, перейти на другой телефон и начать все заново.
Подведем итог. Квантовая криптография является системой, которая обеспечивает секретность связи, не позволяя Еве безошибочно прочесть сообщение между Алисой и Бобом. Более того, если Ева попробует осуществить перехват, то Алиса и Боб смогут обнаружить ее присутствие. Тем самым квантовая криптография дает Алисе и Бобу возможность обменяться информацией и согласовать одноразовый шифрблокнот совершенно конфиденциальным образом, после чего они смогут использовать его в качестве ключа для зашифровываю«! сообщения. Этот способ состоит из пяти основных этапов:
(1) Алиса посылает Бобу последовательность фотонов, а Боб измеряет их.
(2) Алиса сообщает Бобу, в каких случаях он измерил их правильно. (Хотя Алиса и говорит Бобу, когда он выполнил правильное измерение, она не сообщает ему, каков должен быть правильный результат, так что, даже если подслушивать их разговор, это не представляет ровным счетом никакой опасности.)
(3) Чтобы создать пару идентичных одноразовых шифрблокнотов, Алиса и Боб отбрасывают те измерения, которые Боб выполнил неверно, и используют те из них, которые он выполнил правильно.
(4) Алиса и Боб проверяют неприкосновенность своих одноразовых шифрблокнотов путем сличения нескольких цифр.
(5) Если процедура проверки показала удовлетворительные результаты, они могут использовать одноразовый шифрблокнот для зашифровывания сообщения; если же проверка выявила ошибки, то им становится известно, что Ева осуществила перехват фотонов, и им следует начать все заново.
Статья Виснера о квантовых деньгах, спустя четырнадцать лет после того, как была отклонена научными журналами, послужила причиной появления абсолютно стойкой системы связи. Теперь, живя в Израиле, Виснер испытывает удовлетворение от того, что наконец-то его работа получила признание: «Вглядываясь назад, я думаю, смог ли бы сделать больше этого. Люди осудили меня за то, что я бросил это дело, за то, что я не приложил никаких дополнительных усилий для опубликования своей идеи; я полагаю, что они в какой-то мере правы, но я, был молодым аспирантом, и ко мне не было особого доверия. Во всяком случае, квантовые деньги, похоже, никого не интересовали».
Криптографы с энтузиазмом восприняли квантовую криптографию Беннета и Брассарда. Однако многие экспериментаторы считают, что эта система хорошо работает в теории, но окажется непригодной на практике. Они полагают, что из-за сложности обращения с отдельными фотонами эту систему реализовать будет невозможно. Но несмотря на эти критические замечания Беннет и Брассард убеждены, что квантовую криптографию можно заставить работать. На самом деле они настолько верят в нее, что создание аппаратуры их совершенно не беспокоит. Как однажды заявил Беннет: «Нет никакого смысла отправляться на Северный полюс, если вы знаете, что он находится там».
Однако растущий скептицизм в конечном счете вынудил Беннета представить доказательства, что система действительно может работать. В 1988 году он начал собирать компоненты, необходимые для создания квантовой криптографической системы и пригласил аспиранта Джона Смолина помочь ему собрать установку. Год спустя они уже готовы были попытаться послать первое сообщение, зашифрованное с помощью квантовой криптографии. Как-то поздним вечером они уединились в своей лаборатории, куда не мог извне проникнуть свет, а внутри все было черным, как смоль, что предохраняло от случайных фотонов, которые могли бы помешать эксперименту. Плотно пообедав, они были вполне готовы к работе на установке в течение всей длинной ночи. Они начали с того, что попытались послать поляризованные фотоны через комнату, а затем измерить их с помощью +-детектора и Х-детектора. Компьютер, в итоге названный «Алисой», контролировал передачу фотонов, а компьютер, названный «Бобом», принимал решение, какой из детекторов следовало использовать для измерения каждого фотон.
Примерно в 3 часа утра Беннет зарегистрировал первый квантовокриптографический обмен. «Алиса» и «Боб» сумели отправить и принять фотоны, они «обсудили» поляризационные схемы, которые использовала «Алиса», они отбросили те фотоны, которые были измерены «Бобом» с помощью неправильного детектора, и они согласовали одноразовый шифрблокнот, состоящий из оставшихся фотонов. «Не было никакого сомнения, что это будет работать, — заявил Беннет, — единственно, только наши пальцы могут оказаться слишком неуклюжими, чтобы построить ее». Эксперимент Беннета показал, что два компьютера — «Алиса» и «Боб» — смогли осуществить абсолютно секретную связь. Это был исторический эксперимент, несмотря на тот факт, что эти два компьютера находились на расстоянии всего лишь 30 см.
С момента эксперимента Беннета основной задачей стало создание квантовой криптографической системы, которая смогла бы работать на значительных расстояниях. Это не простая задача, поскольку фотоны «ведут себя нехорошо». Если Алиса передает фотон с определенной поляризацией по воздуху, то молекулы воздуха будут взаимодействовать с ним, приводя к изменению его поляризации, что недопустимо. Более подходящей средой для передачи фотонов является оптоволокно, и в настоящее время исследователи преуспели в применении его для создания квантовых криптографических систем, которые действуют на больших расстояниях. В 1995 году исследователям из Женевского университета удалось реализовать квантовую криптографию по оптоволоконному кабелю протяженностью 23 км от Женевы до города Нион.
Совсем недавно группа ученых из Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико снова приступила к экспериментам с квантовой криптографией в воздухе. Их конечной целью является создание квантовой криптографической системы, которая сможет работать через спутники. Если они сумеют этого добиться, то это позволит создать абсолютно стойкую глобальную связь. Пока что Лос-Аламосской группе удалось передать квантовый ключ через воздух на расстояние 1 км.
Нынче эксперты по безопасности задаются вопросом, сколько пройдет времени, пока квантовая криптография не станет реальностью. Сегодня квантовая криптография не дает никаких преимуществ, так как шифр RSA уже обеспечивает нам доступ к практически неразрываемому шифрованию. Однако как только квантовые компьютеры станут реальностью, то RSA и все другие современные шифры окажутся бесполезными и квантовая криптография превратится в необходимость. Так что гонка продолжается. Действительно важным является вопрос: вовремя ли появится квантовая криптография, чтобы спасти нас от квантовых компьютеров, или же между созданием квантовых компьютеров и появлением квантовой криптографии возникнет брешь. До сих пор квантовая криптография была более передовой технологией. Эксперимент в Швейцарии с оптоволоконными кабелями продемонстрировал, что вполне реально создать систему, которая позволит обеспечить секретную связь между финансовыми учреждениями в пределах одного города. Более того, в настоящее время можно уже создать канал линии передачи с использованием квантовой криптографии между Белым домом и Пентагоном. Не исключено, что такой канал уже существует.
Квантовая криптография означала бы конец противостоянию между шифровальщиками и дешифровальщиками, и шифровальщики оказались бы победителями. Квантовая криптография является нераскрываемой системой шифрования. Возможно, что это покажется преувеличением, особенно в свете предыдущих подобных заявлений. За последние две тысячи лет криптографы в разное время были уверены, что одноалфавитный шифр, многоалфавитный шифр и машинные шифры, как, например, шифр «Энигмы», были нераскрываемыми. В каждом из этих случаев криптографы в конце концов убеждались в своей неправоте, поскольку их заявления основывались исключительно на том факте, что в какой-то момент истории сложность шифров опережала мастерство и методы криптоаналитиков. Оглядываясь в прошлое, мы можем видеть, что криптоаналитики рано или поздно, но находили способ взлома всех этих шифров или создавали метод, который помогал их взломать.
