เทคโนโลยีควอนตัมสัญญาการเข้ารหัสที่ใช้งานได้จริงด้วยคีย์ที่ไม่แตกหัก

เทคโนโลยีควอนตัมสัญญาการเข้ารหัสที่ใช้งานได้จริงด้วยคีย์ที่ไม่แตกหัก

jumbo jili

การป้องกันการเข้ารหัสลับของข้อมูลที่สำคัญคือเนื้อหาที่เผชิญความท้าทายที่รุนแรงมากที่สุดถึงวันที่ต้องขอบคุณคอมพิวเตอร์ควอนตัม เพื่อตอบโต้ภัยคุกคามนี้ นักวิจัยทั่วโลกกำลังตรวจสอบวิธีใหม่ในการปกป้องคีย์ลับที่ใช้ในการส่งและปลดล็อกข้อมูลที่เข้ารหัส วิธีการหนึ่งที่ใกล้ขั้นสูงเพื่อการค้าเป็นจัดจำหน่ายที่สำคัญควอนตัม (QKD)

สล็อต

QKD ใช้คุณลักษณะของกลศาสตร์ควอนตัมที่เรียกว่าหลักการความไม่แน่นอนเพื่อให้แน่ใจว่าข้อมูลหลักที่ส่งจะไม่ถูกแทรกแซงโดยบุคคลภายนอกโดยไม่เปลี่ยนแปลงข้อมูลอย่างไม่สามารถย้อนกลับได้ การรบกวนใด ๆ จะทิ้งเครื่องหมายไว้และจะถูกตรวจพบโดยผู้ส่งและผู้รับ
โตชิบาเป็นผู้นำใน QKD ความเร็วสูงและได้ทำการทดลองภาคสนามในญี่ปุ่นและสหราชอาณาจักรมาหลายปีแล้ว เมื่อเร็ว ๆ นี้ Toshiba และTohoku Medical Megabank Organisation (ToMMo) ที่มหาวิทยาลัย Tohoku ประกาศว่าพวกเขาประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรก ความเร็วในการแจกจ่ายคีย์โดยเฉลี่ยที่มากกว่า 10 เมกะบิตต่อวินาทีในช่วงระยะเวลาหนึ่งเดือน นี่คือประมาณห้าครั้งเร็วที่สุดเท่าที่ก่อนหน้านี้ความเร็ว QKD เร็วที่สุดของ 1.9 Mbps ที่จัดตั้งขึ้นโดยโตชิบาวิจัยยุโรปในปี 2016
ในโครงการนี้ เครื่องส่งสัญญาณ QKD จะปรับเฟสของโฟตอนเพื่อสุ่มแทนค่าศูนย์หรือหนึ่ง โฟตอนที่ถูกมอดูเลตจะถูกส่งไปยังเครื่องรับ QKD ขึ้นอยู่กับโฟตอนที่ได้รับ คีย์ความปลอดภัยจะถูกสร้างขึ้นที่ปลายทั้งสองข้าง จากนั้นคีย์จะถูกป้อนเข้าสู่อัลกอริธึมแพดแบบใช้ครั้งเดียวเพื่อเข้ารหัสและถอดรหัสข้อมูลที่ส่งอื่นๆ ทั้งหมด การรวมกันของแพดแบบใช้ครั้งเดียวและ QKD ช่วยให้มั่นใจได้ว่าข้อมูลที่ส่งมีความปลอดภัยโดยพื้นฐานจากวิธีการโจมตีที่รู้จัก
ความเร็วที่เพิ่มขึ้นเป็นผลมาจากการที่โตชิบาและโตชิบารีเสิร์ชยุโรปใช้เครื่องตรวจจับโฟตอนความเร็วสูงและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมเพื่อลงทะเบียนสัญญาณ และวิธีการปรับปรุงสำหรับการประมวลผลสัญญาณเป็นข้อมูลคีย์ที่ปลอดภัย การแก้ไขข้อผิดพลาดและการขยายความเป็นส่วนตัวจนถึงขณะนี้คอขวดในระบบได้รับการปรับปรุง ซึ่งได้ปรับปรุงความเร็วหลังการประมวลผลของระบบอย่างมาก
Yoshimichi Tanizawaนักวิทยาศาสตร์การวิจัยอาวุโสจาก Network Systems Laboratory ของ Toshiba’s Corporate Research & Development Centerในเมืองคาวาซากิ ใกล้กรุงโตเกียวกล่าวว่า “การทดลองใช้สายไฟเบอร์ออปติกโหมดเดียวแบบโทรคมนาคมมาตรฐานความยาว 7 กิโลเมตรที่เชื่อมต่อระหว่างสองไซต์ “เนื่องจากการทดลองดำเนินการในสภาพแวดล้อมที่ใช้งานได้จริง จึงเป็นก้าวสำคัญสู่การค้า QKD ความเร็วสูง”
โตชิบากล่าวว่าก่อนหน้านี้ได้ดำเนินการทดสอบภาคสนามที่ประสบความสำเร็จในพื้นที่โตเกียวด้วยสายไฟเบอร์ออปติกช่วงเดียวที่ยาวถึง 45 กม. ในขณะที่การทดสอบในห้องปฏิบัติการในสหราชอาณาจักรได้ไปถึงระยะทาง 240 กม.
นอกจากนี้ โตชิบาประกาศเมื่อเดือนพฤษภาคมว่าได้คิดค้นและกำลังทดสอบโปรโตคอลใหม่ที่เรียกว่า Twin-Field QKD ซึ่งจะขยายระยะการกระจายไปยังไฟเบอร์ออปติกมากกว่า 500 กม. ในขณะที่โฟตอนเดียวถูกส่งจากปลายด้านหนึ่งของเส้นใยไปยังอีกด้านหนึ่งใน QKD ทั่วไป ด้วยโปรโตคอลทวินฟิลด์ โฟตอนจะถูกส่งจากปลายทั้งสองไปยังตำแหน่งศูนย์กลางสำหรับการตรวจจับ สิ่งนี้จะเพิ่มระยะการส่งข้อมูลเป็นสองเท่าอย่างมีประสิทธิภาพ
Alan Woodwardนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์แห่ง University of Surrey ในอังกฤษให้ความเห็นเกี่ยวกับการทดลองนี้ว่า “การประกาศของโตชิบานั้นโดดเด่นไม่มากนักสำหรับความเร็วที่ทำได้ เนื่องจากดูเหมือนว่าจะทำมาเป็นระยะเวลานาน ไฟเบอร์ที่ติดตั้งไว้แล้ว”
อย่างไรก็ตาม เขากล่าวเสริมว่า การบริโภคอย่างแพร่หลายของ QKD มีแนวโน้มว่า “ไม่เพียงแค่การใช้ไฟเบอร์ที่ติดตั้งอยู่เท่านั้น แต่เมื่อคุณสามารถมัลติเพล็กซ์ QKD บนไฟเบอร์ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งกับข้อมูล ก็จะปกป้องได้”
ในการทดลองใช้ Tohoku โตชิบาและ ToMMo ใช้สายไฟเบอร์แยกสำหรับเนื้อหาและคีย์
นอกเหนือจากการทดสอบเหล่านี้แล้ว โตชิบาและ ToMMo ยังดำเนินการเครือข่ายเซ็นเซอร์ไร้สายเพื่อตรวจสอบสายไฟเบอร์ออปติกที่ติดตั้งอย่างต่อเนื่องโดยใช้อุปกรณ์เซ็นเซอร์หลายตัวที่รวมมาตรความเร่งและเซ็นเซอร์อุณหภูมิ
“ไม่มีอะไรแตกหักได้ ในการพูดถึง QKD ว่ามีความปลอดภัยอย่างแท้จริงอย่างต่อเนื่อง จึงมีการสร้างความรู้สึกผิดๆ ด้านความปลอดภัยขึ้น”
จุดมุ่งหมายคือเพื่อศึกษาว่าลักษณะของเส้นใยเปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงของสภาพอากาศและการสั่นสะเทือนในบริเวณใกล้เคียงอย่างไร และการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวส่งผลต่อประสิทธิภาพของ QKD ความเร็วสูงอย่างไร ความเข้าใจดังกล่าวมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อใช้เทคโนโลยีกับการติดตั้งการสื่อสารที่มีอยู่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อไฟเบอร์อยู่ทางอากาศและสัมผัสกับองค์ประกอบต่างๆ
“การตรวจสอบยืนยันความสัมพันธ์ระหว่างความเสถียรของระบบ QKD ความเร็วสูงและการรบกวนของไฟเบอร์ที่ติดตั้งไว้” Tanizawa กล่าว “ตัวอย่างเช่น เราพบแรงสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมในเส้นใยที่ส่งผลต่อความเสถียร ขณะนี้เรากำลังดำเนินการปรับปรุงความเสถียรของระบบ QKD”
ความท้าทายอย่างหนึ่งที่ยังต้องเอาชนะคือการกำหนดคุณลักษณะของระบบให้เป็นมาตรฐาน “ตัวอย่างเช่น” Tanizawa กล่าว “เราจำเป็นต้องสร้างมาตรฐานอินเทอร์เฟซเพื่อส่งคีย์ที่ปลอดภัยไปยังแอปพลิเคชันใดๆ รวมถึงในการดูแลสุขภาพ การเงิน และโทรคมนาคม”
และในขณะที่เขารับทราบว่าจำเป็นต้องมีการทดสอบภาคสนามเพิ่มเติมเพื่อปรับแต่งระบบ เขากล่าวว่า “เราคิดว่าระบบจะพร้อมสำหรับการค้าในปี 2020”
ความเห็นเกี่ยวกับการแข่งขันที่เพิ่มขึ้นเพื่อแนะนำ QKD วู้ดเวิร์ดกล่าวว่า “ผมไม่แน่ใจว่ามันเกี่ยวกับระบบ QKD ที่แข่งขันกัน แต่เพิ่มเติมเกี่ยวกับว่า QKD จะถูกมองว่ามีความได้เปรียบด้านความปลอดภัยเพียงพอสำหรับโครงการเข้ารหัสลับหลังควอนตัมเพื่อรับประกันค่าใช้จ่ายของโครงสร้างพื้นฐานหรือไม่”
โตชิบาไม่ใช่บริษัทเดียวที่พัฒนา QKD Telefonicaผู้ให้บริการโทรคมนาคมข้ามชาติของสเปน ซึ่งทำงานร่วมกับ Huawei ของจีนและUniversidad Politecnica de Madrid (UPM) ของสเปนประกาศเมื่อเดือนพฤษภาคมที่ผ่านมาว่าพวกเขาได้ทำการทดลองภาคสนามของ QKD โดยใช้เครือข่ายออปติกเชิงพาณิชย์
แนวทางของ Telefonica ใช้เทคโนโลยีเครือข่ายที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์ ซึ่งช่วยให้เครือข่ายสามารถควบคุมได้จากส่วนกลางและชาญฉลาด Vicente Martin Ayusoหัวหน้าศูนย์การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ของ UPM กล่าวในการแถลงข่าวว่า “ตอนนี้ เรามีความสามารถในการปรับใช้การสื่อสารควอนตัมในลักษณะที่เพิ่มขึ้น หลีกเลี่ยงค่าใช้จ่ายล่วงหน้าจำนวนมาก และใช้โครงสร้างพื้นฐานเดียวกัน ”
และสำหรับชื่อเสียงของ QKD ในด้านความแตกร้าวนั้น Woodward กล่าวเสริมว่า “ไม่มีอะไรแตกหักได้ ความปลอดภัยมักจะเกี่ยวกับจุดอ่อนที่สุดเสมอ แผนการเข้ารหัสลับจำนวนมากได้รับการพิจารณาว่าแข็งแกร่ง แต่จุดอ่อนในการใช้งานทำให้ผู้โจมตีสามารถหลบเลี่ยงการรักษาความปลอดภัยได้ ในการพูดถึง QKD ว่ามีความปลอดภัยอย่างแท้จริงอย่างต่อเนื่อง การรับรู้ถึงความปลอดภัยที่ผิดพลาดกำลังก่อตัวขึ้น”

สล็อตออนไลน์

ขั้นตอนแรกในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมคือการหาสิ่งที่ทำหน้าที่เป็นควอนตัมบิตหรือคิวบิต ซึ่งเป็นสิ่งที่สามารถอ่านและจัดการสถานะควอนตัมได้ ปัญหาคือสถานะควอนตัมเป็นสิ่งที่ละเอียดอ่อนอย่างยิ่ง ส่วนใหญ่เป็นเพราะสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการโต้ตอบที่หลบเลี่ยงมากที่สุด—ความผันผวนในสนามแม่เหล็ก โฟตอนที่เอาแต่ใจ และอื่นๆ เพียงหนึ่งปีหลังจากการบุกเบิกของ Shor นักฟิสิกส์สองคนที่มหาวิทยาลัยอินส์บรุคของออสเตรีย Juan Ignacio Cirac และ Peter Zoller ได้ตั้งทฤษฎีว่าสตริงของไอออนจะจับตัวเป็นก้อนอย่างรวดเร็วในสุญญากาศด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและเย็นลงภายในระดับที่สูงกว่าค่าสัมบูรณ์สองสามพันระดับ ศูนย์สามารถทำหน้าที่เป็น qubits ที่เสถียรและสร้างพื้นฐานของคอมพิวเตอร์ควอนตัม นักวิทยาศาสตร์จากสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งสหรัฐอเมริกา (NIST) ผู้จับเวลาของประเทศ มีประสบการณ์มากมายในการดักจับและทำให้ไอออนเย็นลงจากการทำงานกับนาฬิกาอะตอม และพวกเขาไม่ต้องเสียเวลาในการนำรูปแบบไปใช้จริง ในปีเดียวกันนั้นเอง David Wineland แห่ง NIST และพวกเราคนหนึ่ง (Monroe) ใช้เบริลเลียมไอออนที่ติดอยู่เป็น qubit เพื่อดำเนินการทางตรรกะซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการเรียกใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัม
ตั้งแต่นั้นมา นักฟิสิกส์ได้คิดค้นวิธีที่เป็นไปได้อย่างน้อยครึ่งโหลในการคำนวณควอนตัม ซึ่งรวมถึงการใช้นิวเคลียสของอะตอมในสารประกอบอินทรีย์ที่ละลายเป็น qubits และควบคุมอิเล็กตรอนภายในวงจรตัวนำยิ่งยวด ด้วยข้อยกเว้นบางประการ รูปแบบเหล่านี้จะไม่นำไปสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่สามารถแก้ปัญหาที่เป็นประโยชน์ได้ เนื่องจากไม่สามารถจัดการกับ qubits ได้มากกว่าหนึ่งโหลหรือมากกว่านั้น และสิ่งที่จำเป็นก็คือหลายร้อย—ถ้าไม่ใช่หลักพัน
เราไม่สามารถสร้างกับดักไอออนขนาดเต็มรูปแบบที่ใหญ่พอที่จะบรรจุ qubits จำนวนมากได้ วิธีเดียวที่เราเห็นในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้จริงคือการยืมหน้าจากอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์และสร้างวงจรรวมควอนตัมที่เทียบเท่า ความคล้ายคลึงกันที่นี่คือทรานซิสเตอร์—กับดักทำงานในลักษณะเดียวกันถ้าคุณย่อให้เล็กลงมากพอและใส่หลายๆ ตัวลงบนเซมิคอนดักเตอร์ชิ้นเดียวกัน สิ่งนี้แสดงให้เห็นเมื่อปีที่แล้วเมื่อกลุ่มวิจัยของเราที่มหาวิทยาลัยมิชิแกนและกลุ่มของไวน์แลนด์ที่ NIST ได้ผลิตไมโครชิปดักไอออนตัวแรกที่สร้างขึ้นด้วยเทคนิคเดียวกันกับที่ไมโครโปรเซสเซอร์และผู้ผลิต MEMS ใช้ ชิปเหล่านี้ไม่ใช่คอมพิวเตอร์ที่มีประโยชน์ แต่เป็นก้าวแรกในเส้นทางที่อาจพาเราข้ามขีดจำกัดของการประมวลผลอย่างที่เราทราบ
หัวใจของคอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่ว่าจะสร้างขึ้นจากเศษเสี้ยวของเซมิคอนดักเตอร์หรือไม่ก็ตาม ก็คือควิบิต คำเกี่ยวกับ qubit: มันแปลก
ในคอมพิวเตอร์ทั่วไป ข้อมูลจะถูกจัดเก็บเป็นบิต ซึ่งมักจะเป็นที่เก็บประจุขนาดเล็กหรือไม่มีประจุในตัวเก็บประจุของเซลล์หน่วยความจำ เลขฐานสองธรรมดาสามารถอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่งจากสองสถานะที่แตกต่างกัน แต่ค่าของ qubit ถูกกำหนดโดยสถานะควอนตัมของอนุภาคแต่ละตัว เช่นเดียวกับสถานะควอนตัมเหล่านั้น qubit สามารถมีค่า 1 หรือ 0 หรือสามารถเป็นได้ – ในโลกที่ขัดแย้งกันของควอนตัม – ทั้งสองค่าในเวลาเดียวกัน ความเก่งกาจนี้เป็นศูนย์กลางของพลังของคอมพิวเตอร์ควอนตัม ในคอมพิวเตอร์ทั่วไป คุณสามารถแสดงตัวเลขระหว่าง 0 ถึง 31 โดยใช้เลขฐานสองห้าหลัก แต่การใช้จำนวน qubits เท่ากัน คุณสามารถแสดงตัวเลขทั้งหมด 32 ตัวในคราวเดียวและทำการคำนวณแบบเดียวกันพร้อมกันได้ และนั่นไม่ใช่จุดสิ้นสุดของความแปลกประหลาด:

jumboslot

ถึงเวลาแล้วที่จะแสดงให้เห็นว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมดักไอออนสามารถปรับขนาดได้ และนั่นหมายถึงการลดขนาดลง
สถานะควอนตัมจำเพาะของอนุภาคที่โดยทั่วไปถูกใช้เพื่อกำหนดค่าของ qubit เรียกว่าสปิน ในคอมพิวเตอร์กับดักไอออนและรูปแบบอื่นๆ อีกหลายอย่าง ค่าของ qubit ถูกกำหนดโดยทิศทางของสถานะการหมุนของอนุภาค
สปินเป็นตัววัดโมเมนตัมเชิงมุมของอนุภาค โมเมนตัมเชิงมุมนั้นเข้าใจได้ง่ายสำหรับวัตถุหมุนขนาดใหญ่ เช่น ลูกบาสเก็ตบอล แต่โฟตอน อิเล็กตรอน และอนุภาคพื้นฐานอื่นๆ ที่สร้างควิบิตที่ดีนั้นอยู่ใกล้ที่สุดเท่าที่คุณจะทำได้เพื่อให้ได้มิติที่น้อยกว่าในอวกาศ คำถามคือพวกเขาจะหมุนได้อย่างไร?
พวกเขาทำไม่ได้ เช่นเดียวกับกลศาสตร์ควอนตัมในหลาย ๆ ด้าน สปินไม่สมเหตุสมผลเลย แม้แต่กับนักฟิสิกส์ แต่มันเป็นเรื่องจริง และเป็นสิ่งที่วัดผลได้ สำหรับอนุภาค สปินเป็นคุณสมบัติที่แท้จริง เช่น ประจุ ไม่ใช่สิ่งที่เกิดขึ้นเนื่องจากการหมุนทางกายภาพ
สปินมีทิศทาง—ขึ้นหรือลง ในชวเลขของควอนตัมคอมพิวติ้ง—และเป็นทิศทางที่เราใช้แทนค่าของคิวบิต qubits ที่ใช้ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมกับดักไอออนขึ้นอยู่กับสถานะการหมุนของอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดของไอออนและของนิวเคลียส ถ้าสปินของอิเล็กตรอนอยู่ในแนวเดียวกับนิวเคลียสที่มันโคจร เราบอกว่าควิบิตอยู่ในสถานะ 1 หากสถานะควอนตัมทั้งสองชี้ไปในทิศทางตรงกันข้าม เราบอกว่า qubit อยู่ในสถานะ 0 และคิวบิทไอออนสามารถใส่รวมกันเป็น 1 กับ 0 ได้ ถ้าการหมุนของอิเล็กตรอนเองเป็นผลรวมของการขึ้นและลง
ความสามารถของ qubit ในการมีสองค่าพร้อมกันนี้เรียกว่าหลักการของการทับซ้อน และอนุญาตให้รีจิสเตอร์ของ qubits สามารถเก็บข้อมูลได้มากกว่ารีจิสเตอร์ที่มีจำนวนบิตคลาสสิกเท่ากัน ตัวอย่างเช่น สำหรับบิตธรรมดาสองบิต ชุดค่าผสมที่เป็นไปได้คือ 00, 01, 10 หรือ 11 แต่สำหรับ qubits ที่อยู่ในสถานะซ้อนทับ ค่าของพวกมันอาจเป็นตัวเลขทั้งสี่ตัวพร้อมกัน
เหนือสิ่งอื่นใด คุณสามารถคำนวณทั้งสี่รายการพร้อมกันได้ ในขณะที่ในคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก จะต้องดำเนินการทีละรายการ แม้ว่านั่นจะทำให้คุณได้รับการปรับปรุงเพียงสี่เท่าสำหรับตัวอย่าง 2-qubit การเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อจำนวนบิตเพิ่มขึ้น ตามทฤษฎีแล้ว ด้วย n qubits คุณสามารถคำนวณด้วยตัวเลข 2n ได้ในครั้งเดียว ด้วยเวลาเพียง 300 qubits คุณสามารถคำนวณจำนวนมากกว่าที่มีอะตอมในจักรวาลพร้อมกันได้
แต่ข้อมูลควอนตัมนั้นละเอียดอ่อนมาก การมีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อม เช่น การผันผวนแบบสุ่มในสนามไฟฟ้า สามารถเปลี่ยน qubit ที่ซ้อนทับเป็นอีก 1 หรือ 0 หรือพลิก 0 เป็น 1 หรือกลับกัน เหตุการณ์ดังกล่าวเรียกว่า decoherence และสามารถทำให้การคำนวณทั้งหมดถึงจุดนั้นไร้ค่าได้ทันที

slot

ระยะเวลาที่ qubit ยังคงอยู่ในสถานะหรือการทับซ้อนของสถานะที่คุณใส่เข้าไปนั้นเรียกว่าเวลาเชื่อมโยงกัน คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีข้อ จำกัด ในจำนวนการดำเนินการที่สามารถทำได้ตามเวลาที่ใช้สำหรับข้อผิดพลาดในการถอดรหัสเพื่อครอบงำการคำนวณ กับดักไอออนได้รับการออกแบบให้อยู่ในสภาพแวดล้อมที่เงียบมาก ซึ่ง qubits เป็นที่รู้กันว่าใช้เวลา 10 วินาทีหรือมากกว่านั้นนานพอที่จะทำการคำนวณที่ซับซ้อนได้หลายแบบ

This entry was posted in Slot and tagged , , , , , , , , , . Bookmark the permalink.