Základní ideje kvantové kryptografie aneb Alice a Bob preferují zabezpečenou komunikaci. Radim Filip a Vladyslav Usenko



Podobné dokumenty
Jak ovládnout šum světla?

Optika. Nobelovy ceny za fyziku 2005 a Petr Malý Katedra chemické fyziky a optiky Matematicko fyzikální fakulta UK

Komerční výrobky pro kvantovou kryptografii

Karel Lemr. web: Karel Lemr Fotonové páry 1 / 26

Kvantová kryptografie

Kvantová kryptografie

Kvantová informatika pro komunikace v budoucnosti

Optické kvantové zpracování informace

DIGITÁLNÍ KOMUNIKACE S OPTICKÝMI VLÁKNY. Digitální signál bude rekonstruován přijímačem a přiváděn do audio zesilovače.

Komerční výrobky pro kvantovou kryptografii

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: Lasery - druhy

Optická vlákna. Laboratoř optických vláken. Ústav fotoniky a elektroniky, AVČR, v.v.i.

Optická vlákna a práce s nimi

Kvantové algoritmy a bezpečnost. Václav Potoček

ednáška a telefonní modemy Ing. Bc. Ivan Pravda

Kvantová kryptografie

2. kapitola: Přenosová cesta optická (rozšířená osnova)

11. Jaké principy jsou uplatněny při modulaci nosné vlny analogovým signálem? 12. Čím je charakteristické feromagnetikum?

100G konečně realitou. Co a proč měřit na úrovni 100G

Měření vlastností datového kanálu

ELEKTROMAGNETICKÉ ZÁŘENÍ

Radiové rozhraní GSM prakticky. Karel Mikuláštík

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE. Kvantová kryptografie. Miroslav Gavenda

Nanotechnologie a jejich aplikace. doc. RNDr. Roman Kubínek, CSc.

OPTIKA Fotoelektrický jev TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

Využití fotonických služeb e-infrastruktury pro přenos ultrastabilních optických frekvencí

PON (Passive Optical Network)

Kryptografie - Síla šifer

Semestrální práce-mobilní komunikace 2004/2005

Pasivní prvky: kabely

Prezentace na téma: Přicházející komunikační technologie pro IoT: Konkurenční boj či společná cesta?

Institute of Computer Science. Kvantový šumátor a jeho testování

Úvod do zpracování obrazů. Petr Petyovský Miloslav Richter

ATENTOVY SPIS. Právo k využití vynálezu přísluší státu podle 3 odst. 6 zák. č. 34/1957 Sb. Přihlášeno 28. VÍL 1970 [PV )

íta ové sít baseband narrowband broadband

VYHLÁŠKA o způsobu stanovení pokrytí signálem zemského rozhlasového vysílání šířeného ve vybraných kmitočtových pásmech Vymezení pojmů

Laboratorní úloha KLS 1 Vliv souhlasného rušení na výsledek měření stejnosměrného napětí

Laboratorní úloha KLS 1 Vliv souhlasného rušení na výsledek měření stejnosměrného napětí

ÈÁST VII - K V A N T O V Á F Y Z I K A

WIMAX. Obsah. Mobilní komunikace. Josef Nevrlý. 1 Úvod 2. 2 Využití technologie 3. 5 Pokrytí, dosah 6. 7 Situace v České Republice 7

λ, (20.1) infračervené záření ultrafialové γ a kosmické mikrovlny

Převodníky rozhraní RS-232 na optický kabel ELO E240, ELO E241, ELO E242. Uživatelský manuál

Analogové mobilní systémy AMPS , , NMT TACS

9. PRINCIPY VÍCENÁSOBNÉHO VYUŽITÍ PŘENOSOVÝCH CEST

3. Optoelektronický generátor náhodných čísel

Aplikovaná optika. Optika. Vlnová optika. Geometrická optika. Kvantová optika. - pracuje s čistě geometrickými představami

Utajené vynálezy Nemrtvá kočka

Elektromagnetická vlna a její využití v telekomunikacích

I. O P A T Ř E N Í O B E C N É P O V A H Y

Rádiové rozhraní GSM fáze 1

VY_32_INOVACE_ENI_2.MA_06_Demodulace a Demodulátory

SYSTÉMOVÁ METODOLOGIE. Ak. rok 2011/2012 vbp 1

Fotonické sítě jako médium pro distribuci stabilních signálů z optických normálů frekvence a času

2. Určete komplexní impedanci dvojpólu, jeli dáno: S = 900 VA, P = 720 W a I = 20 A, z jakých prvků lze dvojpól sestavit?

Úloha č. 7 - Disperze v optických vláknech

Úvod do mobilní robotiky AIL028

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY. OPTICKÝ SPOJ LR-830/1550 Technický popis

Kosmické záření. Michal Nyklíček Karel Smolek

Fyzická úroveň. Teoretický základ datových komunikací. Fourierova analýza

Vlnění, optika a atomová fyzika (2. ročník)

Signál v čase a jeho spektrum

Pavel Cejnar. mff.cuni.cz. Ústav částicové a jaderné fyziky Matematicko-fyzikální fakulta University Karlovy v Praze

Nové trendy v oblasti bezkabelové optické komunikace

Bezpečnost platebních systémů založených na čipových kartách. Martin Henzl Vysoké učení technické v Brně

Obnova signálu aktivní optické sítě na fyzické vrstvě pomocí erbiem dopovaného vláknového zesilovače EDFA a polovodičového zesilovače SOA

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Jan Polášek stud. skup. 11 dne

DVOUSTAVOVÉ MODULAČNÍ FORMÁTY V OPTICKÝCH PŘÍSTUPOVÝCH SÍTÍCH

JRxx. Jednotky rozhraní PCM30U. Popis produktu.

Test. Kategorie M. 1 Na obrázku je průběh napětí, sledovaný digitálním osciloskopem. Nalezněte v hodnotách na obrázku efektivní napětí signálu.

Katedra fyzikální elektroniky. Jakub Kákona

Měření a monitorování PMD trasy za provozu nebo bez provozu? Josef Beran, Jan Brouček. Měření a monitorování PMD trasy za provozu nebo bez provozu?

Základní principy ultrazvuku a ovládání UZ přístroje MILAN JELÍNEK ARK, FN U SVATÉ ANNY IVO KŘIKAVA KARIM, FN BRNO 2013

1. Rozdělení kmitočtového pásma

PCM30U-OCH. JRxx. Jednotky optického a elektrického rozhraní. TTC Telekomunikace, s.r.o. Třebohostická 5, , Praha 10 Česká republika

Měření vlastností optických vláken a WDM přenos

EXPOZICE ELEKTROMAGNETICKÝM POLÍM V OKOLÍ VYSÍLAČŮ NOVÝCH TECHNOLOGIÍ. Pavel Buchar elmag@szu

SMĚŠOVAČ 104-4R


M9621 CAB G2. Vozidlový adaptér s 10 W zesilovačem (Smart VIB) Výhody

Digitální telefonní signály

Foton jako. Co je to kvantová kryptografie MILOSLAV DUŠEK ONDŘEJ HADERKA MARTIN HENDRYCH. Vždy jde samozřejmě o to, aby informace byla srozumitelná

Úloha D - Signál a šum v RFID

Seminář pro zařízení poskytující sociální služby v Moravskoslezském kraji k problematice požární ochrany, úniků plynů a ochrany obyvatelstva

Řada LTC 4600 Přenosové systémy s optickým vláknem

Ozn. Kmitočtové pásmo Vyzářený výkon Další podmínky. 200 mw střední e.i.r.p. 2 ), 4 ) 200 mw střední

Úloha č. 7 Disperzní vlastnosti optických vlnovodů

1 Úvod. 2 Pom cky. 3 Postup a výsledky. 3.1 M ení p enosové funkce ve frekven ní oblasti

Příloha č. 3 k č. j. Č.j. PPR /ČJ EC Počet listů: 6. Technické podmínky

Více vidět pomocí termokamery testo 880

Etap II Teleinformatyka Strona 1 z 10

Rozdíl mezi ISDN a IDSL Ú ústředna K koncentrátor pro agregaci a pro připojení k datové síti. Pozn.: Je možné pomocí IDSL vytvořit přípojku ISDN.

Nová koncepční a konstrukční řešení pro zobrazení s PMS

ODBORNÉ VZDĚLÁVÁNÍ ÚŘEDNÍKŮ PRO VÝKON STÁTNÍ SPRÁVY OCHRANY OVZDUŠÍ V ČESKÉ REPUBLICE. Spalování paliv - Kotle Ing. Jan Andreovský Ph.D.

Dvourozměrná NMR spektroskopie metody

Cena celkem včetně DPH. E Kč H Kč 52902P ,2 714 Kč Cena bez DPH Cena celkem včetně DPH.


3.cvičen. ení. Ing. Bc. Ivan Pravda

Emisní spektrální čáry atomů. Úvod do teorie a dvě praktické aplikace

Moderní technologie linek. Zvyšování přenosové kapacity Zvyšování přenosové spolehlivosti xdsl Technologie TDMA Technologie FDMA

Adresa místa konání: Na Slovance 2, Praha 8 Cukrovarnická 10, Praha 6

Transkript:

Základní ideje kvantové kryptografie aneb Alice a Bob preferují zabezpečenou komunikaci Radim Filip a Vladyslav Usenko

Optické komunikace Komunikace optickými vlákny Komunikace volnou atmosférou Světlo: velká šířka přenosového pásma (WDM), velký odstup signálu od šumu.

Klasické komunikace velká informační kapacita C. Shannon (1948) informační kapacita nejtěsnější horní mez na rychlost přenosu informace (bit/s) přes kanál s aditivním Gaussovským šumem. Základní cíl klasických optických komunikací maximalizovat informační kapacitu (pomocí B,SNR).

Šum a informace KLASICKÁ FYZIKA Klasický šum je v principu odstranitelný současně ve všech veličinách použitých k přenosu informace. Klasická informační kapacita monotónně vzrůstá s SNR, stačí zvýšit signál, šum se nezmění. KVANTOVÁ FYZIKA Kvantový šum není odstranitelný ve všech veličinách současně (komplementární veličiny). Klasická komunikace = komunikace s kompatibilními veličinami (intenzita).

Kvantový šum světla v koherentních opt. komunikacích Homodynní detekce: Kvantový šum laseru: měření komplementárních veličin, amplitudové a fázové kvadratury X,P pomocí změny fáze silného LO. signál na MHz frekvencích měřený osciloskopem vykazuje bílý šum mající shodnou varianci v X a P.

Koherentní stav kvantového šumu Koherentní stav ve virtuálním fázovém prostoru: Gaussovský stav symetrický v kvantovém šumu s fází definovanou relativně k LO.

Koherentní stavy a kvantová optika Kvantová optika: zkoumá kvantový šum světla, jeho vlastnosti a aplikace. Otec koherentního stavu Roy J. Glauber Nobelova cena v roce 2005 velmi citlivá měření, např. detekce gravitačních vln, měření pro nanotechnologie. manipulace látky (atomů, pevných látek ) na kvantové úrovni.

Co umožňují komplementární veličiny? Měření v klasické fyzice Měření v kvantové fyzice Vliv libovolného měření na měřený signál může (principiálně) být libovolně malý ve všech veličinách přenášených signálem. Vliv libovolného měření na měřený signál nemůže (principiálně) být libovolně malý ve všech veličinách přenášených signálem. EXISTUJE DOKONALÝ ODPOSLECH Komunikační kanál nemůže být bezpečný. NEEXISTUJE DOKONALÝ ODPOSLECH Komunikační kanál může být principiálně bezpečný.

Ilustrace kvantové duality Kvantová dualita: za zisk informace se platí šumem. Příklad: super citlivé měření zavádějící minimální poruchu koherentního stavu. Rozhoduje principiální možnost získat informaci, není podstatné zda to někdo skutečně učinní.

Bezpečná komunikace = bezpečný klíč Alice a Bob jsou schopni chránit bezpečnost svých stanic. Přenosový kanál je nechráněný, vystaven útokům odposlechu (Eva).

Pionýři kvantové distribuce klíče Stephen Wiesner quantum money Charles H. Bennett Gilles Brassard QKD (1982)

Kvantová komunikace Jak zajistit bezpečný přenos klíče kvantovými stavy? na velkou vzdálenost ve složitých sítích v kanálech se silnými ztrátami a šumem Kvantová komunikace Kvantová informace

Základní schéma QKD Účastníci: Alice, Bob, Eva. Klasický kanál: standartní optický (nebo i metalický či wifi) přenos dat perfektně kopírovatelných Evou. Co je to kvantový kanál?

Kvantový kanál Kvantová přenosová trasa: charakterizovaná útlumem a šumem v obou komplementárních veličinách (X,P). Eva může nahradit celý kvantový kanál svým zařízením a cílem Alice a Bob je rozeznat, zda nezískala příliš mnoho informace. Všechna informace uniklá z kanálu a všechen šum vniklý do kanálu mohou být využity Evou.

Základní princip QKD Každý únik informace zvýší šum. Tento šum je detekovatelný společně Alicí a Bobem. Podmínkou je, aby celá přenosová trasa byla na limitě kvantového šumu. Šum ve vysílači, přijímači i přenosové trase musí být snížen na kvantovou úroveň.

Určení Eviny informace a selekce dat namísto její detekce Každý realistický kanál je ztrátový a obsahuje šum. Jaké množství informace mohla v principu Eva získat = horní limita na Evinu informaci IE? Jaké množství informace mohla přenést Alice k Bobovi = dolní limita na vzájemnou (Shannonovu) informaci IAB. Jak určit informaci dostupnou Evě? Klasická teorie informace umožňuje asymptoticky zvětšit korelaci mezi Alicí a Bobem a redukovat korelaci s Evou kdy? Klasická teorie informace pracuje v bitech diskretizace.

Zpracování korelovaných dat Transformace Gaussovských dat na binární data Korekce chyb: vytvoření perfektní korelace mezi Alicí a Bobem. Zesílení bezpečnosti: eliminace informace dosažené Evou.

K=IAB-IE : individuální útok Evy Csiszar-Korner (1978) IE =max(iae, IBE) Shannonova informace určuje Evinu znalost (přímý a zpětný protokol) Výsledek závisí jen na klasických korelacích mezi Alicí, Bobem a potenciální Evou. Optimální Evin útok:

Teoretické predikce (G-G 2002) Bezpečnost pro čistě ztrátový kanál a ideální zpracování korelovaných dat: Přímý protokol (Eva odhaduje co posílá Alice) -3dB limita. Zpětný protokol (Eva hádá co měří Bob) pro libovolný útlum. Pro šum v kanálu a neideální zpracování korelovaných dat limita na útlum v kanále stále garantující bezpečnost.

První experiment (G-G 2003) CV laserová dioda SDL 5412 na 780 nm, 120 ns pulsy s opakovací frekvencí 800kHz, signál do 250 fotonů, LO přibližně 1.3 x 108 fotonů, EOM elektrooptický modulátor pro amplitudovou kvadraturu, fázová kvadratura pouze skenována. Balíky 60000 pulsů byly proloženy fázovou synchronizací. Účinnost homodynní detekce byla 81%. Destilace klíče s využitím oboustranného protokolu CASCADE.

Experimentální výsledky Alice-Bob korelace (60000 pulses), bezztrátový přenos, V=41.7. Uvnitř:histogram dat od Alice a od Boba Vzájemné informace Alice-Bob-Eva pro čistě ztrátový kanál.

Téměř čistě ztrátový kanál velmi malý šum kanálu. Šum bezpečného Bobova detektoru je bezpečný. Šum bezpečné přípravy stavy? Bezpečný klíč

K=IAB-IE : kolektivní útok Evy Horní mez na Evinu informaci není vyjádřitelná pomocí Shannonovy informace kvantová von Neumannova informace (minimum přes všechna možná kvantová měření), proto místo IE Holevo kvantita. Zpětný protokol: bezpečnost pro libovolný čistě ztrátový kanál a ideální zpracování korelovaných dat. Menší tolerance k šumu ve kvantovém kanálu!

K=IAB-IE : koherentní útok Evy Nepodmíněná bezpečnost kvantového kanálu: snaha o důkaz ekvivalence kolektivním útokům (arxiv:0904.4862) Pro čistě ztrátový kanál a ideální zpracování dat již dokázáno. Podobný důkaz již proveden pro protokoly založené na čítání jednotlivých fotonů.

Reálný test kvantové kryptografie Telecom laserová dioda na 1550 nm, časově multiplexovaný LO, stabilizace modulace, vláknová optická trasa 25km, část integrovaného SECOQC EU projektu (Vídeň 2008).

Pohled pod pokličku QKD

Experimentální výsledky CV QKD prototyp: 57 hodin testování, 8 kbit/s bezpečného klíče, maximálně do 27 km (-3db ztráty) vláknové trasy (metropolitní síť).

Náš výzkum v QKD Kvantová kryptografie s levnými zdroji majícími velký šum (laserové ukazovátko). Kvantová kryptografii s více příjemci = QKB (broadcasting). Kvantová kryptografie ve volném prostoru destilace kvantových korelací při šíření volným prostorem. Kvantové opakovače pro protokoly s koheretními stavy.

Poslední výsledek (OL-ERL) Nature Physics 4, 919 923 (1 December 2008)

BUDOUCNOST Minimální fyzikální podmínky pro QKD směrem k nejjednoduššímu prototypu pro danou aplikaci. Stále velmi zajímavá fyzika, stále zajímavější technika. Volné PhD pozice v kvantové komunikaci.