КВАНТОВОЕ ШИФРОВАНИЕ
7.1. Основы квантовой физики.
7.2. Основы квантового шифрования.
7.2.1. Шифрования с использованием линейных поляризаторов на принимающей стороне.
7.2.2. Шифрования с использованием поляризационной разделительной призмы на принимающей стороне.
Вопросы для самопроверки.
Основы квантовой физики
Квант (от лат. quantum - «сколько») - неделимая порция какой-либо величины в физике. В основе понятия лежит представление о том, что некоторые физические величины могут принимать только определенные (дискретные) значения, величина которых кратна некоторому минимальному значению (постоянной Планка). Постоянная Планка (квант действия) - коэффициент, связывающий величину энергии электромагнитного излучения с его частотой (или некоторую другую пару физических величин)
, Дж*с (7.1)
где E - энергия электромагнитного излучения, Дж;
v - частота электромагнитного излучения, 1/с.
На текущий момент большинство ученых считает, что на макроскопическом уровне (звезд, людей, молекул) действуют законы классической физики, а на микроскопическом (элементарных частиц – кварков, фотонов, электронов) – иные, в т.ч. и квантовой. В рамках квантовой физики любая элементарная частица рассматривается как квант возбуждения поля, характерной для этой частицы. Квантовые поля могут взаимодействовать между собой, в результате чего кванты (частицы) могут превращаться друг в друга.
Одной из элементарных частиц является фотон. Фотон (от др.-греч. φῶς - «свет») - квант электромагнитного излучения (электромагнитная волна) с нулевыми массой покоя и зарядом. Согласно современным представлениям фотону свойственен корпускулярно-волновой дуализм. С одной стороны, фотон демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции1 и интерференции2 в том случае, если размеры препятствий сравнимы с длиной волны фотона. С другой стороны, процессы взаимодействия фотонов с веществом (излучение и поглощение) можно успешно истолковать только на основе представлений о нем, как о дискретной частице.
Излучение светящегося тела можно представить как потоки фотонов, направленных от него во все стороны.
Рис.7.1. Излучение светящегося тела
Эти потоки распространяются, как правило, вдоль прямолинейного луча, за исключением прохода малых препятствий (см. дифракцию) или вблизи массивных тел (планет, звезд). Т.о. поток фотонов можно представить как набор электромагнитных волн, каждая из которых колеблется (поляризована) в одной плоскости.
Рис.7.2. Поток из двух фотонов (электромагнитных волн)
При пропускании оптического излучения через линейный поляризатор (например, призму Глана) на выходе можно получить поток фотонов с требуемой поляризацией. Образно этот процесс можно представить, как прохождение фотонов через фильтр с плоским отверстием, который проходит только часть фотонов – те, плоскость поляризации которых совпадает с ориентацией отверстия фильтра.
Рис.7.3. Прохождение потока фотонов сквозь фильтр
Если сгенерировать поток фотонов с требуемой поляризацией можно, то точно определить поляризацию произвольно перехваченных фотонов современные измерительные устройства не позволяют. Это обстоятельство и позволило использовать квантовую механику для шифрования информации.
Для кодирования информации, представленной в битовом виде, достаточно двух линейных поляризаторов с разными плоскостями поляризации. Фотоны, ориентированные в одной плоскости будут соответствовать «1», в другой – «0». На этом принципе основана работа передающего устройства (генератора фотонов).
Принимающее устройство может быть построено на базе линейного поляризатора или поляризационной разделительной призмы.
В первом случае, если принятый фотон проходит сквозь поляризатор и регистрируется стоящим за ним фотодетектором, то он идентифицируется как «1», в противном случае – как «0».
Во втором случае, при прохождении фотона через призму он перенаправляется на один из двух фотодетекторов, соответствующих двум взаимно перпендикулярным плоскостям поляризации (базису). Перенаправление выполняется на тот фотодетектор, чья плоскость поляризации наиболее близка к плоскости поляризации принятого фотона. Если передающая и принимающая стороны используют одинаковый базис поляризации (например, горизонтально-вертикальный), то принимающая сторона будет однозначно идентифицировать поступающие фотоны (например, с горизонтальной поляризацией как «1», с вертикальной - как «0»). Если принимающая сторона будет использовать другой базис поляризации, то вероятность правильной идентификации снижается. В частности, если у принимающей стороны базис будет повернут на 45о относительно передающей, то вероятность правильной идентификации будет примерно 50%.
1 Дифракция (лат. diffractus - буквально разломанный, переломанный) – отклонение света (световых волн, фотонов) от прямолинейного распространения при прохождении сквозь малые отверстия или огибании малых препятствий.
2 Интерференция света – перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн.
Основы квантового шифрования