Kvantový Internet
– komunikaˇcní sít’ budoucnosti –
Karel Lemr
Spoleˇcná laboratoˇr optiky
ˇ
UP v Olomouci a FzÚ AV CR
http://jointlab.upol.cz/lemr
Internet – sít’ sítí
Mapa Internetu
Matt Britt, OPTE project,
Wikimedia Commons
Karel Lemr
Kvantový Internet
2 / 19
Internet – sít’ sítí
7 miliard zaˇrízení
[Intel]
Mapa Internetu
Matt Britt, OPTE project,
Wikimedia Commons
Karel Lemr
Kvantový Internet
2 / 19
Internet – sít’ sítí
7 miliard zaˇrízení
[Intel]
2 34 miliard
uživatelu˚
[Intl. Telecom. Union]
Mapa Internetu
Matt Britt, OPTE project,
Wikimedia Commons
Karel Lemr
Kvantový Internet
2 / 19
Internet – sít’ sítí
7 miliard zaˇrízení
[Intel]
2 34 miliard
uživatelu˚
[Intl. Telecom. Union]
pˇreneseno 640 TB
dat/min.
[Intel]
Mapa Internetu
Matt Britt, OPTE project,
Wikimedia Commons
Karel Lemr
Kvantový Internet
2 / 19
Výjimeˇcný objev, ale má svá omezení
3 mimoˇrádneˇ složitý, pˇresto spolehlivý
3 neustále se rozvíjí, nové technologie
se objevují každým rokem
ˇ
3 jeden z nejvýznamnejších
vynálezu˚
lidstva
Karel Lemr
Kvantový Internet
3 / 19
Výjimeˇcný objev, ale má svá omezení
3 mimoˇrádneˇ složitý, pˇresto spolehlivý
3 neustále se rozvíjí, nové technologie
se objevují každým rokem
ˇ
3 jeden z nejvýznamnejších
vynálezu˚
lidstva
7 výrazné omezení již v jeho návrhu
7 omezený zákony klasické fyziky
7 klasické teorie elektromagnetického
pole (klasické informatiky)
James Clerk Maxwell
(1831–1879)
7 pˇrekonaná teorie, známá 152 let
Karel Lemr
Kvantový Internet
3 / 19
Mužeme
˚
tato omezení
pˇrekonat?
Karel Lemr
Kvantový Internet
4 / 19
ˇ
Rešení:
kvantová cesta
Kvantová fyzika:
pˇrelomový koncept
14. prosince 1900 (pátek)
Max Planck
(1858–1947)
Karel Lemr
Kvantový Internet
5 / 19
ˇ
Rešení:
kvantová cesta
Kvantová fyzika:
pˇrelomový koncept
14. prosince 1900 (pátek)
Max Planck
(1858–1947)
Teorie kvantové informace:
ˇ
rozvijí se behem
posledních tˇrí desetiletí
zákony kvantové fyziky využité v teorii
informace
Karel Lemr
Kvantový Internet
5 / 19
ˇ
Rešení:
kvantová cesta
Kvantová fyzika:
pˇrelomový koncept
14. prosince 1900 (pátek)
Max Planck
(1858–1947)
Teorie kvantové informace:
ˇ
rozvijí se behem
posledních tˇrí desetiletí
zákony kvantové fyziky využité v teorii
informace
Kvantová kryptografie
Kvantové algoritmy
je metoda pro bezpeˇcný
ˇ kvantovému
umožnují
ˇ
pˇrenos informace zajištený
poˇcítaˇci vykonávat
zákony pˇrírody.
Karel Lemr
ˇ
nekteré
výpoˇcty rychleji.
Kvantový Internet
5 / 19
Klasická vs. kvantová informace
klasická informace (bity):
0; 1
Karel Lemr
Kvantový Internet
6 / 19
Klasická vs. kvantová informace
klasická informace (bity):
0; 1
kvantová informace (qubity):
|0i+|1i
Karel Lemr
Kvantový Internet
6 / 19
Klasická vs. kvantová informace
klasická informace (bity):
0; 1
kvantová informace (qubity):
|0i+|1i
Kvantové efekty:
superpozice,
kvantová
provázanost
Karel Lemr
Kvantový Internet
6 / 19
Klasická vs. kvantová informace
klasická informace (bity):
0; 1
kvantová informace (qubity):
|0i+|1i
Pˇríklad z naší laboratoˇre:
jednotlivé fotony
kódování napˇr. do jejich
polarizace
ˇ ce
lineární optika (deliˇ
svazku, frakˇcní destiˇcky)
Kvantové efekty:
superpozice,
kvantová
provázanost
Karel Lemr
Kvantový Internet
6 / 19
Klasická vs. kvantová kryptografie
Klasická kryptografie (RSA):
Kvantová kryptografie (BB84):
Charles Benett, Gilles Brassard
Ron Rivest, Adi Shamir,
Len Adleman
(http://www.usc.edu/dept/molecularscience/RSA-2003.htm)
Karel Lemr
(http://www.cs.bu.edu/new-CSweb/content/research/colloquium/10Bennett.shtml
http://www.iro.umontreal.ca/
~brassard/vanille/ch/conff.htm)
Kvantový Internet
7 / 19
Klasická vs. kvantová kryptografie
Klasická kryptografie (RSA):
Kvantová kryptografie (BB84):
informaci lze
odposlechnout i
kopírovat
Karel Lemr
Kvantový Internet
7 / 19
Klasická vs. kvantová kryptografie
Klasická kryptografie (RSA):
Kvantová kryptografie (BB84):
informaci lze
odposlechnout i
kopírovat
šifrování
založeno na
obtížneˇ
invertovatelné
matematické
operaci
souˇcin: 29 × 17 = x
rozklad: 493 = n × m
Karel Lemr
Kvantový Internet
7 / 19
Klasická vs. kvantová kryptografie
Klasická kryptografie (RSA):
Kvantová kryptografie (BB84):
informaci lze
odposlechnout i
kopírovat
informaci lze
odposlechnout
šifrování
založeno na
obtížneˇ
invertovatelné
matematické
operaci
ˇ
ale ne (pˇresne)
kopírovat
souˇcin: 29 × 17 = x
rozklad: 493 = n × m
Karel Lemr
Kvantový Internet
7 / 19
Klasická vs. kvantová kryptografie
Klasická kryptografie (RSA):
informaci lze
odposlechnout i
kopírovat
informaci lze
odposlechnout
šifrování
založeno na
obtížneˇ
invertovatelné
matematické
operaci
ˇ
ale ne (pˇresne)
kopírovat
souˇcin: 29 × 17 = x
rozklad: 493 = n × m
Karel Lemr
Kvantová kryptografie (BB84):
pˇrenos
náhodného
jednoúˇcelového
klíˇce
napˇr. pomocí jednotlivých fotonu˚
Kvantový Internet
7 / 19
Klasická vs. kvantová kryptografie
Kvantová kryptografie (BB84):
Jedna ze stran komunikace pˇripraví náhodný a
jednoúˇcelový šifrovací klíˇc stejné nebo vˇetší délky,
než bude šifrovaná zpráva.
1.
Karel Lemr
Kvantový Internet
8 / 19
Klasická vs. kvantová kryptografie
Kvantová kryptografie (BB84):
1.
Jedna ze stran komunikace pˇripraví náhodný a
jednoúˇcelový šifrovací klíˇc stejné nebo vˇetší délky,
než bude šifrovaná zpráva.
2.
Šifrovací klíˇc je pˇrenesem v podobeˇ kvantové
informace; je-li odposlechnut (nelze kopírovat),
nedostane se ke druhé straneˇ a není vubec
˚
použit;
nevadí, je to jen náhodný klíˇc, zkusí se odeslat nový.
Karel Lemr
Kvantový Internet
8 / 19
Klasická vs. kvantová kryptografie
Kvantová kryptografie (BB84):
1.
Jedna ze stran komunikace pˇripraví náhodný a
jednoúˇcelový šifrovací klíˇc stejné nebo vˇetší délky,
než bude šifrovaná zpráva.
2.
Šifrovací klíˇc je pˇrenesem v podobeˇ kvantové
informace; je-li odposlechnut (nelze kopírovat),
nedostane se ke druhé straneˇ a není vubec
˚
použit;
nevadí, je to jen náhodný klíˇc, zkusí se odeslat nový.
Zpráva je poté pomocí pˇreneseného klíˇce zašifrována
Wernomovou šifrou (operace XOR) – matematicky
ˇ
bezpeˇcná – a odeslána veˇrejneˇ druhé strane.
3.
Zpráva
Klíˇc
Šifra
Karel Lemr
0
1
1
1
0
1
1
1
0
0
0
0
1
0
1
Kvantový Internet
8 / 19
Klasická vs. kvantová kryptografie
Klasická kryptografie (RSA):
Kvantová kryptografie (BB84):
prolomení je pouze nároˇcné,
nikoliv nemožné
prolomení je vylouˇceno
pˇrírodními zákony
otázka výpoˇcetní síly útoˇcníka
(až na technologické slabiny)
Karel Lemr
Kvantový Internet
9 / 19
Kvantová komunikaˇcní sít’
Karel Lemr
Kvantový Internet
10 / 19
Kvantové zdroje svˇetla
kvantová komunikaˇcní sít’ vyžaduje precizní
pˇrípravu stavu˚ svˇetla pro pˇrenos informace
Karel Lemr
Kvantový Internet
11 / 19
Kvantové zdroje svˇetla
kvantová komunikaˇcní sít’ vyžaduje precizní
pˇrípravu stavu˚ svˇetla pro pˇrenos informace
˚
využívají se ruzné
stavy svˇetla:
jednotlivé
fotony
Karel Lemr
stlaˇcené
stavy
kvantovˇe
provázané
Kvantový Internet
11 / 19
Kvantové zdroje svˇetla
kvantová komunikaˇcní sít’ vyžaduje precizní
pˇrípravu stavu˚ svˇetla pro pˇrenos informace
˚
využívají se ruzné
stavy svˇetla:
jednotlivé
fotony
stlaˇcené
stavy
kvantovˇe
provázané
nedokonalá pˇríprava stavu˚ svˇetla vede
k chybám, pˇrípadneˇ narušuje bezpeˇcnost
Karel Lemr
Kvantový Internet
11 / 19
Kvantové zdroje svˇetla
˚
lze využít ruzné
fyzikální procesy jako
zdroje svˇetla:
nelineární
optika
Karel Lemr
nanoˇcástice
(kvantové
teˇcky)
polovodiˇcové
struktury
Kvantový Internet
12 / 19
Kvantové zdroje svˇetla
˚
lze využít ruzné
fyzikální procesy jako
zdroje svˇetla:
nelineární
optika
nanoˇcástice
(kvantové
teˇcky)
polovodiˇcové
struktury
intenzivní základní i aplikovaný vývoj
plány na distribuci kvantovˇe provázaných
fotonu˚ pomocí družic
Karel Lemr
Kvantový Internet
12 / 19
ˇ
Kvantové smerovaˇ
ce
ˇ
Smerování
v klasické síti:
zajistí pˇrenos informace po správné
cesteˇ od odesílatele k adresátovi
ˇ pˇrenosové médium
˚ také zmenit
muže
a protokol (napˇr. Wi-Fi na ADSL)
zpráva (signál) je doruˇcen podle
adresy (ˇridicí informace)
klíˇcové pro rozsáhlé síteˇ – Internet
Cisco CRS-X Core Router
Karel Lemr
Kvantový Internet
13 / 19
ˇ
Kvantové smerovaˇ
ce
ˇ
Kvantové smerování:
3 pracuje s kvantovou informací
3 kvantová je zpráva i rˇ idicí
informace
Karel Lemr
Kvantový Internet
14 / 19
ˇ
Kvantové smerovaˇ
ce
ˇ
Kvantové smerování:
3 pracuje s kvantovou informací
3 kvantová je zpráva i rˇ idicí
informace
ˇ
˚ využít nekteré
7 nemuže
ˇ
klasické techniky (všesmerové
vysílání)
3 podporuje kvantové jevy,
napˇríklad superpozice obou
možných výstupu˚
Karel Lemr
Kvantový Internet
14 / 19
Kvantové zesilovaˇce
Zesilovaˇce v klasické síti:
umožní šíˇrení signálu na velké
vzdálenosti
ˇ
snižují pravdepodobnost
pˇreslechu˚
Karel Lemr
Kvantový Internet
15 / 19
Kvantové zesilovaˇce
Zesilovaˇce v klasické síti:
umožní šíˇrení signálu na velké
vzdálenosti
ˇ
snižují pravdepodobnost
pˇreslechu˚
v klasické síti lze využít postupy:
ˇ rím a
zmeˇ
zkopíruji
Karel Lemr
stimulované
zesílení
Kvantový Internet
15 / 19
Kvantové zesilovaˇce
Zesilovaˇce v kvantové síti:
7 klasické techniky narušují pˇrenášenou informaci
cílem je minimalizovat šum a maximalizovat zisk
vždy je tˇreba najít kompromis mezi ziskem, šumem a úˇcinností
Karel Lemr
Kvantový Internet
16 / 19
Kvantové zesilovaˇce
Zesilovaˇce v kvantové síti:
7 klasické techniky narušují pˇrenášenou informaci
cílem je minimalizovat šum a maximalizovat zisk
vždy je tˇreba najít kompromis mezi ziskem, šumem a úˇcinností
bezšumové
šumové
ˇ
s omezenou pravdepodobností
optimalizuje se šum vs. zisk
ˇ
úspechu
Karel Lemr
Kvantový Internet
16 / 19
Kvantové zesilovaˇce
koncepˇcní schéma kvantového zesilovaˇce pro jednotlivé fotony
Karel Lemr
Kvantový Internet
17 / 19
Kvantová informace na PˇrF UP
˚
na PˇrF UP pusobí
skupiny v rámci
Katedry optiky
Spoleˇcné laboratoˇre optiky (RCPTM)
Karel Lemr
Kvantový Internet
18 / 19
Kvantová informace na PˇrF UP
˚
na PˇrF UP pusobí
skupiny v rámci
Katedry optiky
Spoleˇcné laboratoˇre optiky (RCPTM)
teoretický i experimentální výzkum
kvantové
komunikaˇcní
protokoly
Karel Lemr
hradla pro
kvantové
poˇcítání
fundamentální
otázky kvantové
optiky
Kvantový Internet
18 / 19
ˇ
Dekuji
za pozornost.
Tato pˇrednáška využívá grafických prvku˚ KDE Artwork – Oxygen
licencovaných pod LGPLv3 (http://www.oxygen-icons.org/) a grafiky Real
Vista Development Icons.
Karel Lemr
Kvantový Internet
19 / 19
Download

Kvantový Internet - – komunikacní sít budoucnosti –