Интерактивная демонстрация
Симуляция протокола BB84: Алиса отправляет Бобу квантовые биты через небезопасный канал
Каждый фотон представляет один квантовый бит (кубит) с определённой поляризацией
История
Чарльз Беннет и Жиль Брассар
1984
Создатели протокола BB84
Протокол BB84 был предложен в 1984 году Чарльзом Беннетом (IBM) и Жилем Брассаром (Монреальский университет). Название происходит от фамилий авторов и года публикации.
Это первый в мире протокол квантового распределения ключей (QKD), который использует фундаментальные законы квантовой механики для обеспечения абсолютной безопасности.
Интересный факт: Первая экспериментальная демонстрация протокола BB84 была проведена в 1989 году группой Беннета и Брассара. Они передали ключ на расстояние 32 см в лабораторных условиях.
Принципы работы
Протокол BB84 использует четыре состояния поляризации фотонов в двух неортогональных базисах для передачи секретных битов.
Генерация ключа
Алиса генерирует случайную последовательность битов и выбирает случайные базисы (прямоугольный или диагональный) для каждого бита.
Передача фотонов
Алиса отправляет фотоны с соответствующей поляризацией через квантовый канал Бобу.
Измерение
Боб случайным образом выбирает базисы для измерения каждого фотона. Если базис совпадает с базисом Алисы, измерение даёт правильный бит.
Сравнение базисов
Алиса и Боб публично сравнивают выбранные базисы (но не биты!). Сохраняются только биты, для которых базисы совпали.
Обнаружение перехвата
Алиса и Боб публично сравнивают часть битов. Если Ева пыталась перехватить сообщение, это вызовет повышенный уровень ошибок из-за принципа неопределённости.
Усиление конфиденциальности
Оставшиеся биты используются как секретный ключ для симметричного шифрования.
Квантовые состояния
Прямоугольный базис (rectilinear): |0⟩ = 0°, |1⟩ = 90°
Диагональный базис (diagonal): |+⟩ = 45°, |-⟩ = 135°
Каждому биту соответствует определённое состояние поляризации фотона
Безопасность
Важно: Безопасность BB84 основана на фундаментальных законах квантовой механики, а не на вычислительной сложности как в классической криптографии.
Фундаментальные принципы
Принцип неопределённости Гейзенберга
Невозможно точно измерить две некоммутирующие наблюдаемые одновременно. Ева не может измерить фотон, не нарушив его состояние.
Теорема о неполном клонировании
Квантовые состояния невозможно точно скопировать (клонировать). Ева не может создать идентичную копию фотона для себя.
Обнаружение подслушивания
Любая попытка перехвата неизбежно вносит ошибки в передачу, которые обнаруживаются при сравнении части битов.
Оценка безопасности
Применение
Будущие перспективы
Квантовая криптография — ключевая технология для защиты от угроз квантовых компьютеров:
- Постквантовая криптография
- Квантовый интернет
- Квантово-безопасные облачные сервисы
- Защита блокчейна и криптовалют
Интересный факт
В 2017 году китайский спутник Micius установил рекорд, передав квантово-зашифрованный ключ на расстояние 1200 км между Пекином и Веной. Это первая в мире межконтинентальная квантовая видеоконференция.