Кванттық монеталарды аудару - Quantum coin flipping

Кванттық монеталарды аудару принциптерін қолданады кванттық механика қауіпсіз байланыс үшін хабарламаларды шифрлау үшін. Басқа түрлерінен айырмашылығы кванттық криптография, кванттық монеталарды аудару - бір-біріне сенбейтін екі қолданушы арасында қолданылатын протокол.[1] Осыған байланысты, екі қолданушы да (немесе ойыншылар) монета лақтыруды ұтып алғысы келеді және әртүрлі тәсілдермен алдау әрекетін жасайды.[1]

Кванттық монеталарды айналдыру және кванттық криптографияның басқа түрлері ақпаратты жіберу арқылы байланысады кубиттер. Қабылдаушы ойыншы өлшеу жүргізгенге дейін кубиттегі ақпаратты білмейді.[2] Әрбір кубит туралы ақпарат жеке сақталады және тасымалданады фотон.[3] Қабылдаушы ойнатқыш фотонды өлшегеннен кейін, ол өзгертіліп, қайтадан өлшенсе, бірдей өнім болмайды.[3] Фотоны дәл осылай бір рет оқуға болатындықтан, хабарламаны ұстап алуға тырысатын кез келген басқа тарап оңай анықталады.[3]

Кванттық монеталарды айналдыру теория жүзінде байланыстырудың сенімді құралы болғанымен, оны орындау қиын.[1][3]

Тарих

Мануэль Блюм 1983 жылы есептеу алгоритмдері мен болжамдарына негізделген классикалық жүйенің бөлігі ретінде монеталарды айналымға енгізуді енгізді.[4] Блумның монеталарды аудару нұсқасы келесі криптографиялық мәселеге жауап береді:

Элис пен Боб жақында ажырасып, екі бөлек қалада тұрады және көлікті кім ұстайтынын шешкісі келеді. Шешу үшін Элис телефон арқылы тиынды аударғысы келеді. Алайда Боб егер Алисаның басына айтқысы келсе, ол тиынды айналдырып, оған жоғалтқанын автоматты түрде айта ма деп алаңдайды.[2]

Осылайша, Алис пен Бобтың проблемасы - олардың бір-біріне сенбеуі; олардағы жалғыз ресурс - бұл телефон байланысының арнасы, және монетаны оқитын үшінші тарап жоқ. Сондықтан, Алиса мен Боб не шыншыл, не құндылық туралы келісуі керек, не басқасының алдап жатқанына сенімді болуы керек.[2]

1984 жылы, кванттық криптография Чарльз Х.Беннетт пен Джилес Брассард жазған қағаздан пайда болды. Бұл жұмыста екеуі бұрынғы монеталарды айналдыру сияқты криптографиялық протоколдарды жақсарту үшін кванттық механиканы қолдану идеясын ұсынды.[1] Содан бері көптеген зерттеушілер кванттық механиканы криптографияға қолданды, өйткені олар теориялық тұрғыдан классикалық криптографиядан гөрі қауіпсіз екендігін дәлелдеді, дегенмен бұл хаттамаларды практикалық жүйелерде көрсету қиынға соғады.

2014 жылы жарияланғанындай, Париждегі Байланыс және ақпаратты өңдеу зертханасында (LTCI) бір топ ғалымдар монеталарды айналдырудың кванттық хаттамаларын тәжірибе жүзінде іске асырды.[1] Зерттеушілер протоколдың метрополияға арналған оптикалық желі үшін қолайлы қашықтықтағы классикалық жүйеге қарағанда жақсы жұмыс істейтіндігін хабарлады.[1]

Монеталарды аудару хаттамасы

Кванттық монеталарды аудару дегеніміз - бір-біріне сенбейтін екі ойыншының арасында кездейсоқ кубиттер пайда болады, өйткені олардың екеуі де монеталарды лақтыруды ұтып алғысы келеді, бұл оларды әртүрлі тәсілдермен алдап соқтыруы мүмкін.[1] Монеталарды айналдырудың мәні екі ойыншы байланыс арнасы бойынша нұсқаулар тізбегін шығарған кезде пайда болады, содан кейін нәтиже шығады.[3]

Кванттық монеталарды айналдырудың негізгі хаттамасына екі адам қатысады: Алиса және Боб.[4]

  1. Элис Бобқа кванттық күйдегі Κ фотонды импульстің белгіленген санын жібереді . Осы фотондық импульстердің әрқайсысы α негізіндегі Алиса кездейсоқ таңдау арқылы дербес дайындаладымен және смен қайда мен = 1, 2, 3 ... Κ.
  2. Боб содан кейін кездейсоқ негізді анықтау арқылы Алисадан импульстерді өлшейдімен. Боб бұл фотондарды жазады, содан кейін алғашқы сәтті өлшенген фотон туралы есеп береді j Элиске кездейсоқ битпен бірге б.
  3. Алиса Бобтың берген негізі мен негізін ашады. Егер екі негіз мен бит сәйкес келсе, онда екі жақ та шыншыл және ақпарат алмаса алады. Егер Боб айтқан бит Элисікінен басқаша болса, онда ол шындыққа жанаспайды.
Элис өзінің кубиттердің кездейсоқ негізін және дәйектілігін шешеді. Содан кейін ол кубиттерді фотон ретінде Бобқа кванттық канал арқылы жібереді. Боб бұл кубиттерді анықтап, оның нәтижелерін кестеге жазады. Кестеге сүйене отырып, Боб Алиске оның қандай негізде қолданғанын болжайды.

Жоғарыда аталған хаттаманың жалпы түсіндірмесі келесідей:[5]

  1. Алиса алдымен кездейсоқ негізді (мысалы, диагональ бойынша) және кездейсоқ кубиттер тізбегін таңдайды. Содан кейін Алиса өзінің таңдаған кубиттерін таңдалған негіз бойынша фотондар тізбегі ретінде кодтайды. Содан кейін ол осы кубиттерді байланыс каналы арқылы Бобқа поляризацияланған фотондар пойызы ретінде жібереді.
  2. Боб әр жеке фотон үшін кездейсоқ оқу негіздерін таңдайды. Содан кейін ол фотондарды оқып, нәтижелерін екі кестеге жазады. Бір кесте тік сызықты (көлденең немесе тік) алынған фотондардан және диагональ бойынша алынған фотондардан тұрады. Боб үстелдерінде детекторлардағы немесе беріліс арналарындағы шығындар салдарынан тесіктер болуы мүмкін. Осы кестеге сүйене отырып, Боб Элис қандай негізге сүйенгенін болжап, өзінің болжамдарын Алиске жариялайды. Егер ол дұрыс тапса, ол жеңеді, ал егер жоқ болса, ол жеңіледі.
  3. Алиса жеңіске жеткен-болмағаны туралы Бобқа қандай негізде қолданғанын жариялау арқылы хабарлайды. Содан кейін Алиса ақпаратты Бобқа өзінің 1-қадамда қолданған барлық кубиттік дәйектілігін жіберу арқылы растайды.
  4. Боб Элиске ешқандай алдау болмағанын растау үшін Алистің кестесін кестелерімен салыстырады. Кестелер Элис негізіне сәйкес келуі керек және басқа кестемен байланыс болмауы керек.

Болжамдар

Осы хаттаманың дұрыс жұмыс істеуі үшін бірнеше болжамдар жасалуы керек. Біріншісі, Алиса Бобты тәуелсіз және бірдей ықтималдықпен әр күйді құра алады. Екіншіден, Боб сәтті өлшейтін бірінші бит үшін оның негізі мен биті Алиске кездейсоқ және мүлдем тәуелсіз. Соңғы болжам, Боб күйді өлшегенде, оның әр күйді өлшеудің біркелкі ықтималдығы болады және ешбір күйді басқалардан оңай анықтау мүмкін емес. Бұл соңғы болжам әсіресе маңызды, өйткені егер Алиса Бобтың кейбір күйлерді өлшей алмайтынын білсе, ол оны өз пайдасына қолдана алады. [4]

Алдау

Монеталарды айналдырудың басты мәселесі - бұл екі сенімсіз тараптар арасында пайда болуында.[5] Бұл екі тарап байланыс арнасы арқылы бір-бірінен біраз қашықтықта байланысады және жеңімпаз немесе жеңілген туралы әрқайсысының жеңіске жету мүмкіндігі 50% болатындығы туралы келісімге келуі керек.[5] Алайда, олар бір-біріне сенімсіз болғандықтан, алдау орын алуы мүмкін. Алдау бірнеше жолмен орын алуы мүмкін, мысалы, нәтиже ұнамай қалған кезде хабарламаның бір бөлігін жоғалттым деп мәлімдеу немесе импульстің әрқайсысында болатын фотондардың орташа санын көбейту.[1]

Бобты алдау үшін, Алисаның негізін ½ -тен жоғары ықтималдықпен болжай алуы керек еді.[5] Мұны орындау үшін Боб бір негізде кездейсоқ поляризацияланған фотондар пойызын басқа негізде поляризацияланған фотондар пойызынан анықтай алуы керек еді.[5]

Екінші жағынан, Алиса бірнеше түрлі жолмен алдай алады, бірақ ол абай болу керек, өйткені Боб оны оңай анықтай алды.[5] Боб Элиске дұрыс болжам жібергенде, Бобты оның фотондары Бобтың дұрыс болжамына қарама-қарсы поляризацияланған деп сендіре алады.[5] Сондай-ақ, Элис Бобты Бобты жеңу үшін қолданғаннан басқаша түпнұсқа дәйектілікті жібере алады.[5]

Үшінші тұлғаны анықтау

Ақпаратты бір ойнатқыштан екіншісіне беру үшін жалғыз фотондар қолданылады (кубиттер).[3] Бұл хаттамада ақпараттар 0, 45, 90 және 135 градус поляризация бағыттары, ортогоналды емес кванттық күйлері бар жалғыз фотондарда кодталған.[5] Үшінші тарап беру туралы ақпаратты оқуға немесе алуға тырысқанда, олар фотонның поляризациясын кездейсоқ түрде өзгертеді, бұл екі ойыншы анықтайтын болуы мүмкін, себебі бұл екі заңды қолданушы арасындағы алмасу үлгісіне сәйкес келмейді.[5]

Іске асыру

Тәжірибелік

Тарих бөлімінде айтылғандай, Париждегі LTCI ғалымдары кванттық монеталарды аудару хаттамасын тәжірибе жүзінде жүргізді. Алдыңғы хаттамалар бір фотон көзін немесе шатастырылған көзді қауіпсіз етуді талап етті. Алайда, бұл көздер монеталарды кванттық айналымға енгізудің қиын болатындығына байланысты. Оның орнына LTCI зерттеушілері эффектілерді қолданды кванттық суперпозиция бір фотон көзінен гөрі, олар стандартты фотон көздерімен іске асыруды жеңілдетеді дейді.[1]

Зерттеушілер өз хаттамалары үшін IdQuantique жасаған Clavis2 платформасын пайдаланды, бірақ Clavis2 жүйесін монеталарды аудару хаттамасында жұмыс жасау үшін өзгерту керек болды. Олар Clavis2 жүйесінде қолданған эксперименттік қондырғы екі жақты тәсілді қамтиды. 1550 нанометрде импульстік жарық Бобтан Алиске жіберіледі. Содан кейін Алиса ақпаратты шифрлау үшін фазалық модуляторды қолданады. Шифрлаудан кейін ол Фарадей айнамен импульстерді таңдаған деңгейінде шағылыстырады және әлсіретеді және оларды Бобқа қайта жібереді. Боб жоғары сапалы екі фотонды детекторды қолданып, Алиса импульсін анықтау үшін фазалық модуляторда өлшеу негізін таңдайды.[4]

Алдыңғы детекторлардың анықтау тиімділігі төмен болғандықтан олар Боб жағындағы детекторларды ауыстырды. Олар детекторларды ауыстырған кезде каналда 15 шақырымнан (9,3 миль) артықшылықтарын көрсете алды. Фотон көздерінің әлсіреуі жоғары болғандықтан және жүйенің компоненттеріндегі ысыраптар мен қателіктерді анықтау үшін жүйелік талдаулар жүргізгендіктен, топтың алдында тұрған тағы екі қиындық жүйені қайта бағдарламалау болды. Осы түзетулермен ғалымдар монополияға арналған протоколды аборт жасаудың кішігірім ықтималдығын енгізу арқылы жүзеге асыра алды, екі адал қатысушы хаттаманың соңында тиын флипын ала алмауы ықтималдығы, бірақ байланыс аз қашықтықта.[1]


Классикалық аналогия

Монеталардың классикалық флипі

2012 жылы АҚШ-тағы жұп физиктер барлық классикалық ықтималдықтарды кванттық ықтималдықтарға жояды деп мәлімдеді. Олар микроскопиялық масштабтағы сұйықтықтың өзара әрекеттесуі минуттық кванттық тербелістерді күшейте алады, содан кейін макроскопиялық таразыларға таралуы мүмкін деген қорытындыға келді.[6] Шын мәнінде, ықтималдық жағынан қарапайым болып көрінетін нәрсе (мысалы, монета лақтыру) іс жүзінде үдемелі өсіп келе жатқан белгісіздік деңгейімен қатар жүретін процедуралар қатарына сүйенеді. Сондықтан кез-келген уақытта біреу монетаны аударған кезде, олар белгілі бір дәрежеде Шредингердің мысық тәжірибесін жүргізеді, мұнда монетаны бір уақытта бастарымен де, құйрықтарымен де қарастыруға болады.

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ а б c г. e f ж сағ мен j Стюарт Мейсон Дамборт, «Бастар немесе құйрықтар: тәжірибелік кванттық монеталарды айналдыру криптографиясы классикалық протоколдарға қарағанда жақсы жұмыс істейді», Phys.org, 26 наурыз, 2014 жыл
  2. ^ а б c К.Дёшер және М.Кил, «Кванттық монета лақтыруға кіріспе», Корнелл университетінің кітапханасы, 1 ақпан, 2008 ж
  3. ^ а б c г. Анна Паппа және басқалар, «Монеталарды кванттық айналымға қосу және ауыстыру», Табиғат байланысы, 2014 жылғы 24 сәуір
  4. ^ а б c г. e f ж сағ мен j Чарльз Х. Беннетт пен Джилес Брассард, «Кванттық криптография: ашық кілттерді тарату және монеталарды лақтыру», Теориялық информатика, 2014 жылғы 4 желтоқсан
  5. ^ Альбрехт, Андреас және Даниэль Филлипс. «Ықтималдықтардың пайда болуы және олардың көп ауқымға қолданылуы». Физикалық шолу D, т. 90, жоқ. 12, 2014, дои: 10.1103 / physrevd.90.123514.