Kvanttisalaus

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Kvanttisalaus perustuu kvanttimekaniikan sisäiseen satunnaisuuteen sekä kvanttimittauksen aikaansaamiin peruuttamattomiin muutoksiin kvanttimekaanisen systeemin tilassa. Yleisimmin käytettyjä kvanttisalausalgoritmeja ovat yksittäisiin kubitteihin perustuva BB84 sekä Bellin pareihin perustuva Zurekin algoritmi.

Kvanttisalausmenetelmiä käytetään salausavainten vaihtoon, tämän jälkeen itse salaus tehdään perinteisiä symmetrisiä salausmenetelmiä käyttäen. Yksi tällainen on täysin turvallinen yhden kerran suoja, jossa salausavain on yhtä pitkä kuin salattava koodi.

Toisin kuin esimerkiksi RSA-algoritmi, kvanttisalaus ei perustu koodin murtamisen hitauteen vaan kvanttimekaniikan fundamentaaleihin lakeihin.

Kvanttisalausta pidettiin pitkään murtumattomana salauksena, mutta Kanadassa Toronton yliopistollisessa tutkimuslaitoksessa on onnistuttu murtamaan kvanttisalaus. Tutkijat ohjasivat laitteiden valosensoreihin voimakasta valoa. Se sotki sensoreiden toimintaa niin, että tietoa voitiin salakuunnellla ilman, että vakoilua huomattiin.[1]

Käytännössä kvanttisalausta käytetään joko valokaapelin yhteydessä tai vapaan tilan optisessa tiedonsiirrossa (FSO).

BB84-menetelmä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

BB84-menetelmän julkaisivat Charles Bennett ja Gilles Brassard vuonna 1984. Menetelmässä salausavain lähetetään käyttämällä yksittäisiä kubitteja eli kvanttibittejä, jotka voivat olla mielivaltaisessa superpositiotilassa. Käytännössä kubitteina käytetään fotoneja, joiden polarisaatio määrää kubitin tilan. Polarisaatiota voidaan ohjata polaroid-suotimilla. Lähetettyjen kubittien tila voidaan määrätä joko lineaarisesti (pysty- tai vaakapolarisoitu) tai ympyräpolarisoiduksi (vasemmalle tai oikealle polarisoitu). Nämä kaksi valintaa vastaavat kahta eri kantavalintaa kubiteille. Merkitään esimerkiksi pystypolarisaatiota merkillä |\uparrow\rangle ja vaakapolarisoitua merkillä |\downarrow\rangle. Tällöin oikealle ja vasemmalle polarisoidut tilat ovat

|R\rangle=(|\uparrow\rangle + i |\downarrow \rangle)/\sqrt{2} |L\rangle=(|\uparrow\rangle - i |\downarrow \rangle)/\sqrt{2}

Nämä tilat voivat sitten merkitä kubitin arvoja "0" ja "1".

Kvanttimittauksessa valitaan kanta jonka suhteen fotoni mitataan. Tämän jälkeen mittaus projisoi tilan tähän kantaan. Esimerkiksi jos fotoni on tilassa |R\rangle ja mittari valitaan mittaamaan lineaarista polarisaatiota, tuloksena on 50 prosentin todennäköisyydellä "ylös" ja 50 prosentin todennäköisyydellä "alas".

BB84-menetelmässä "Liisa" alustaa ryhmän kubitteja satunnaisesti tiloihin |\uparrow\rangle, |\downarrow\rangle, |R\rangle ja |L\rangle. Hän merkitsee muistiin sekä käyttämänsä kannat että kubitin arvot kyseisissä kannoissa. Sitten hän lähettää kubitit vastaanottajalle, "Roopelle" käyttäen kvanttikanavaa. Tämä valitsee jälleen satunnaisesti kannat joissa mittaa kyseiset kubitit. Sitten, Roope käyttää klassista kanavaa kertoakseen Liisalle mitä kantoja käytti. Liisa kertoo mitkä näistä olivat "oikeita" eli samoja kuin hänen. Roope jättää huomiotta kaikki ne kubitit jotka mittasi "väärässä" kannassa. Jos kukaan ei ole kuunnellut kvanttikanavaa, Roopen jäljelle jääneet kubitit ovat samassa tilassa kuin Liisan. Varmistuakseen tästä Roope vielä tarkistaa joidenkin kubittien arvot klassista kanavaa käyttäen. Jos kaikki tarkistetut arvot olivat oikein, Liisa ja Roope voivat käyttää loppuja oikeita kubitteja salausavaimena.

Klassinen kanava voi olla täysin avoin ja sitä voidaan siis kuunnella. Sen kautta ei kuitenkaan välitetä itse kubittien arvoja, vain kannat joissa ne on koodattu.

Mitä tapahtuu, jos kvanttikanavaa kuunnellaan? Oletetaan että "Eeva" pääsee käsiksi Liisan lähettämiin kubitteihin. Hän voi mitata kubitit ja lähettää ne sitten edelleen Roopelle, toivoen ettei hänen läsnäoloaan huomata. Mutta hänen on myös valittava mittauskannat satunnaisesti. Valinta tulee lähes varmasti olemaan erilainen kuin Liisalla ja Roopella. Ne kubitit, joissa Liisa ja Roope valitsivat saman kannan, mutta Eeva eri kannan, paljastavat kuuntelun. Näissä tapauksissa nimittäin Eeva projisoi kubitin väärään kantaan ja sai 50 %:n todennäköisyydellä arvon "0" ja 50 %:n todennäköisyydellä arvon "1". Eeva siis välitti myös Roopelle väärään kantaan projisoidun kubitin, jolloin Roope sai 50 %:n todennäköisyydellä väärän tuloksen. Tämä ilmenee tulosten tarkastamisessa.

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. technologyreview 17.05.2010. Viitattu 21.9.2010. (englanniksi)