양자 암호는 이론적으로 어떻게 작동합니까
이론적으로 양자 암호는 다음 모드에서 작동합니다 (1984 에서 Bennett 및 Brassard 가 개발한 기존 모드이며 다른 모드도 있음).
두 사람이 안전하게 정보를 교환하고 싶다고 가정해 봅시다. 그들의 이름은 앨리스와 밥입니다. Alice 는 Bob 에 키를 보내 정보를 초기화합니다. 이는 데이터 정보를 암호화하는 패턴일 수 있습니다. 특정 패턴에 따라 전송되는 임의의 비트 시퀀스로, 두 개의 다른 초기 값이 특정 이진 비트 (0 또는 1) 를 나타내는 것으로 간주할 수 있습니다.
이 키 값은 각 광자 입자가 데이터 비트 (0 또는 1) 를 나타내는 단방향 전송 광자 흐름이라고 가정합니다. 직선을 제외한 모든 광자는 어떤 방식으로든 진동합니다. 이러한 진동은 360 도 공간에서 임의의 축을 따라 수행됩니다. 간단히 하기 위해 (최소한 양자 암호학에서) 이러한 진동을 네 가지 특정 상태, 즉 위, 아래, 왼쪽, 오른쪽, 왼쪽, 오른쪽, 왼쪽, 진동 각도를 광자의 양극을 따라 나눕니다. 이제 우리는이 복합체에 편광기를 추가합니다. 편광경은 어떤 진동 상태의 원자가 변하지 않고 통과할 수 있도록 하는 간단한 필터이다. 다른 원자가 진동 상태를 바꾼 후에도 통과할 수 있다. (광자의 통과를 완전히 막을 수 있지만 여기서는 이 성질을 무시할 것이다.) (알버트 아인슈타인, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 스포츠명언) 앨리스는 이 네 가지 상태의 광자를 통과할 수 있는 편광경을 가지고 있다. 실제로 선 (위, 아래, 왼쪽, 오른쪽) 또는 대각선 (왼쪽, 오른쪽, 오른쪽, 왼쪽) 을 따라 필터링하도록 선택할 수 있습니다.
앨리스는 직선과 대각선 사이에서 그녀의 진동 모드를 전환하여 무작위로 전송되는 단일 광자를 필터링합니다. 이 경우 단일 단위는 1 또는 0 의 두 가지 진동 모드 중 하나로 표시됩니다.
광자를 수신할 때 Bob 은 선형 또는 대각선 편광기를 사용하여 각 광자 비트를 측정해야 합니다. 그는 올바른 편광각을 선택할 수도 있고, 실수할 수도 있다. 앨리스가 편광경을 고르는 것이 제멋대로이기 때문에 편광경 광자를 잘못 고르면 어떤 반응이 일어날까요?
하이젠버그의 불확실성 원리는 각 개별 광자에 어떤 일이 일어나는지 확인할 수 없다고 지적했다. 왜냐하면 우리는 그 행동을 측정할 때 그 속성을 변경했기 때문이다. (만약 우리가 한 시스템의 두 가지 속성을 측정하고 싶다면, 하나를 측정하면 우리가 다른 것을 수량화할 권리가 제외되기 때문이다.) 하지만 우리는 이 그룹에 무슨 일이 일어났는지 추정할 수 있습니다. Bob 가 선형 측면 조명기로 왼쪽 위/오른쪽 아래 및 오른쪽 위/왼쪽 아래 (대각선) 광자를 측정하면 편광판을 통과할 때 상태가 변경되고 그 중 절반은 위/아래 진동 모드가 되고 나머지 절반은 왼쪽/오른쪽 모드가 됩니다. 그러나 개별 광자가 어떤 상태로 변하는지 확인할 수는 없습니다. 물론 실제 응용에서는 일부 광자가 차단되지만 이 이론과는 큰 관계가 없습니다.
밥은 광자를 측정할 때 옳을 수도 있고 틀릴 수도 있다. 알 수 있듯이 Alice 와 Bob 은 안전하지 않은 통신 채널을 만들었고, 다른 사람들도 도청할 수 있다. 다음으로, 앨리스는 밥에게 그녀가 어떻게 편광을 보내는 것이 아니라 광자를 보내는 데 어떤 편광기를 사용했는지 알려주었다. 그녀는 광자 8597 이 직선 모드 (이론적으로는) 로 전송되었다고 말할지 모르지만, 위아래가 좌우로 보내진다고 말하지는 않을 것이다. 밥, 이것은 그가 정확한 편광기로 각 광자를 받았는지 확인하기 위해서이다. 그리고 앨리스와 밥은 그가 잘못된 편광기로 측정한 모든 광자를 버렸다. 이들은 0 과 1 의 시퀀스를 가지고 있으며 전송 길이는 원래 길이의 절반입니다. 그러나 이것은 일회성 암호본 (OTP) 이론의 기초를 형성합니다. 즉, 일단 제대로 구현되면 완전히 임의적이고 안전한 암호 시스템으로 간주됩니다.
자, 청중, 이브, 정보를 도청하려고 한다고 가정해 봅시다. 그는 Bob 과 같은 편광경을 가지고 있어서 직선이나 대각선 필터 광자를 선택해야 한다. 그러나 그는 Bob 과 같은 문제에 직면해 있으며, 절반의 확률이 편광기를 고를 가능성이 있다. 밥의 장점은 앨리스에게 사용된 편광기의 유형을 확인할 수 있다는 것이다. 이브는 어쩔 수 없다. 절반은 그녀가 잘못된 탐지기를 선택했을 수도 있고, 광자 정보를 잘못 해석하여 마지막 키를 형성하여 무용지물이 될 수도 있다.
그리고 양자 암호에는 침입 탐지라는 고유의 보안 수준이 있습니다. 앨리스와 밥은 이브가 그들의 말을 듣고 있는지 알 것이다. Eve 는 광자 회로에서 다음과 같은 이유로 쉽게 발견됩니다.
Alice 가 오른쪽 위/왼쪽 아래 방식으로 광자 수 349 를 Bob 으로 전송한다고 가정해 보겠습니다. 그러나 이 시점에서 Eve 는 선 편광기를 사용하여 위/아래 또는 왼쪽/오른쪽 유형의 광자만 정확하게 측정할 수 있습니다. Bob 이 선 편광기를 사용한다면, 마지막 키 값에서 광자를 버리기 때문에 상관없습니다. 그러나 Bob 이 대각선 편광기를 사용하면 문제가 발생합니다. 하이젠버그의 불확실성 이론에 따르면, 그는 정확한 측정을 할 수도 있고, 잘못된 측정을 할 수도 있다. Eve 는 잘못된 편광기로 광자의 상태를 변경하며, Bob 이 올바른 편광기를 사용하더라도 틀릴 수 있습니다.
Eve 의 불량 행위가 발견되면 0 과 1 으로 구성된 고유한 키 시퀀스를 얻기 위해 위의 조치를 취해야 합니다. 도난 당하지 않으면 충돌이 발생합니다. 이때, 그들은 키 값의 유효성을 검사하기 위한 추가 조치를 취할 것이다. 안전하지 않은 채널에서 이진수의 마지막 키를 비교하는 것은 어리석고 불필요하다.
최종 키 값에 4,000 개의 이진 숫자가 포함되어 있다고 가정해 보겠습니다. Alice 와 Bob 이 해야 할 일은 이들 숫자의 하위 집합, 200 개의 숫자를 임의로 선택하여 두 상태 (숫자 일련 번호 2,34,65,911등) 로 비교하는 것입니다. ) 및 숫자 상태 (0 또는 1) 입니다. 만약 모두 일치한다면, 만약 그녀가 감청하고 있다면, 발견되지 않을 확률은 조분의 1, 즉 발견되지 않을 수 없다는 것이다. Alice 와 Bob 은 누군가가 수신하는 것을 발견하면 이 키 값 사용을 중지하고 Eve 가 도달할 수 없는 보안 채널에서 키 값 교환을 다시 시작합니다. 물론, 위의 비교 활동은 모두 안전하지 않은 통로에서 진행될 수 있다. Alice 와 Bob 이 키 값이 안전하다고 추정하면 200 비트로 테스트하기 때문에 200 비트는 마지막 키 값에서 폐기되고 4000 비트는 3800 비트가 됩니다.
따라서 양자 암호는 공개 키-값 암호에서 연결 키-값 교환을 비교적 쉽고 편리하게 하는 방법입니다.
어떻게 실천에서 일할 것인가?
실제로 양자 암호술은 IBM 의 실험실에서 입증되었지만 상대적으로 짧은 거리에만 적용됩니다. 최근 장거리에서 매우 순수한 광학 특성을 가진 광섬유 케이블은 광자를 60km 거리로 성공적으로 전송했습니다. 하이젠버그 불확실성 원리와 광섬유의 미량 불순물과 밀접한 관련이 있는 BERs (오차율) 만이 시스템을 불안정하게 한다. 연구는 공기전파 통과에 성공했지만 이상적인 날씨 조건 하에서는 전파 거리가 짧았다. 양자 암호의 응용은 전송 거리를 높이기 위해 새로운 기술을 더 발전시켜야 한다.
미국에서는 백악관과 워싱턴 펜타곤 사이에 실제 응용을 위한 셔틀라인이 있으며, 인근 주요 군사 장소, 방어 시스템 및 연구실을 연결합니다. 2003 년부터 제네바의 id Quantique 와 뉴욕의 MagiQ Technology Corporation 은 베넷의 실험에서 30cm 이상의 양자 키를 전송하는 상용 제품을 선보였다. NEC 는 150km 의 기록적인 전송 거리를 보여주면 이르면 내년 시장에 제품을 출시할 예정이다. IBM, 후지쯔, 도시바 등도 적극적으로 연구 개발을 진행하고 있다. 현재 시장에 출시되어 있는 제품은 광섬유를 통해 수십 킬로미터의 키를 전송할 수 있다.
양자 암호술의 미래
처음에 광자의 편광 특성을 사용하여 인코딩하는 것 외에도 광자의 위상을 사용하여 인코딩하는 새로운 인코딩 방법이 등장했습니다. 편광 인코딩에 비해 위상 코딩의 장점은 편광 상태에 대한 요구 사항이 낮다는 것입니다.
이 기술을 작동하게 하려면 일반적으로 지면에서 양자 정보 전송, 즉 대기를 통해 양자 신호를 전송하는 절차를 거쳐야 합니다. 위성에서 신호를 수신하여 전 세계를 걷는 수신 대상으로 전달합니다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 과학명언) 이 기술이 직면한 도전 중 하나는 대기역의 공기 분자가 양자를 각 방향으로 하나씩 분출해 지정된 위성에 흡수되기 어렵다는 것이다.
게다가, 이 기술은' 저온 암호화, 암호화 속도는 보장할 수 없다' 는 과제에 직면해 있다. 비밀과 비밀을 훔치는 것은 창과 방패처럼 손을 잡고 있다. 그들 사이의 투쟁은 이미 수천 년 동안 계속되었다. 양자 암호의 출현은 이론적으로 이 투쟁을 끝냈고, 그것이 진정한 종결자였으면 좋겠다.
관련 자료
현재 우리는 광섬유를 통해 안정적이고 대량의 데이터를 빠르게 전송하고 있다. 하지만 사실 우리는 광섬유를 통해서가 아니라 빔을 통해 데이터를 직접 전송하는 또 다른 옵션을 가질 수 있습니다. 그러나 데이터의 기밀성은 매우 중요합니다. 데이터를 안전하게 전송하는 방법은 일종의 학문이 되었습니다. 이를' 양자 암호학' 이라고 합니다.
양자 암호의 이론적 근거는 양자역학으로, 이전의 수학 암호와는 다른 이론적 근거이다. 양자 암호를 사용하여 데이터를 전송하면 데이터가 임의로 검색되거나 다른 악성 데이터에 삽입되지 않고 데이터 스트림이 안전하게 인코딩되고 디코딩됩니다. 인코딩 및 디코딩 도구는 키 라고도 하는 임의 시퀀스 (비트 문자열) 입니다. 현재 양자 암호 연구의 핵심은 양자 기술을 이용하여 양자 채널에 안전하게 키를 배포하는 방법입니다.
전통적인 암호학과 달리 양자 암호는 물리적 원리를 이용하여 정보를 보호한다. 일반적으로' 양자를 정보 전달체로, 양자 채널 전송을 통해 합법적인 사용자가 공유하는 키를 구축하는 방법' 을 양자 키 배포 (QKD) 라고 하며, 그 보안은 하이젠버그 불확실성 원리와 단일 양자 복제 불가 정리로 보장된다.
하이젠버그의 측면 불확실성 원리는 양자역학의 기본 원리로, 관측자가 물체의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정할 수 없다는 것을 보여준다. "단일 양자 복제할 수 없는 정리" 는 하이젠베르크 불확실성 원리의 추론이다. 즉, 양자 상태를 모르는 상태에서 단일 양자를 복제할 수 없다는 뜻이다. 단 하나의 양자를 복제하려면 먼저 측정할 수밖에 없고, 측정은 반드시 양자 상태를 바꿀 수 있기 때문이다.
만약 키가 양자암호술로 만들어졌다면, 키는 복제할 수 없기 때문에 절대적으로 안전하다. 불행히도 해커에게 붙잡히면, 해커는 의미 없는 데이터를 훔칠 것이다. 측정 과정에서 양자 상태가 바뀌기 때문이다.
네이처 매거진의 최근 호에서 독일과 영국의 연구팀은 과학자들이 23.4km 떨어진 두 곳에서 파장이 850nm 인 레이저로 공중에서 암호화된 데이터를 전송한다고 밝혔다. 두 곳에 광섬유가 없기 때문에 데이터 전송은 일반적으로 공중에서 진행된다. 따라서 과학자들은 환경 간섭을 줄이기 위해 공기가 희박한 (고도 2244~2950m) 과 야간에 (빛의 손상을 피하기 위해) 실험을 하기로 했다. 이 거리 (23.4km) 는 이미 미국 과학자들이 세운 세계기록10km 를 깨뜨렸다.
이제 과학자들은 광섬유에서 양자 키를 전송할 수 있게 되었다. 그러나 시대가 발전함에 따라 최근 몇 달간 인류의 정보 교류가 점점 잦아지고 있다. 과학자들은1600km 거리에서 양자 키 전송을 설정하기를 원한다. 앞으로 이런 데이터 전송 방식이 성숙하면 지표면에서 빠르고 안전하게 데이터를 전송할 수 있다. 이 기술은 지상과 저궤도 위성 간의 통신 방식으로도 사용할 수 있어 글로벌 데이터 기밀 전송 시스템을 구축할 수 있다.