Квантова парадигма на сигурността


Категория на документа: Физика


Великотърновски университет " Св. Св. Кирил и Методий"

Реферат

по

Система на сигурността в България

Тема: Квантова парадигма на сигурността

Изготвил: Диана Великова Проверил: Доц. д-р П. Недялков Факултетен номер: 28-ПДр Велико Търново, Април 2013 г.

Терминът сигурност притежава много измерения. Можем да говорим за лична, обществена, национална, международна и т.н. Чувството за сигурност е строго индивидуално и трудно за определяне. Всеки сам усеща равнището на сигурност, която го заобикаля. Деликатна е операцията по измерване заплахите на сигурността в една общност. Това е напълно разбираемо, имайки предвид различните структури и области подлежащи на наблюдение. Осигуряването на сигурност в глобален аспект е почти невъзможно начинание. Поради тази причина разделението на различни области е от изключителна важност за максимизирането на положителния резултат от проведените дейности по осигуряването й. Освен това всяка държава се заема със задачата да осъществи свои собствени операции за постигането на желаното ниво на сигурност на гражданите си. Това е нормално с оглед на това, че всяка страна е изложена на различна степен на риск и подхожда по различен начин, взимайки предвид ресурсите, с които разполага, психологията на населението, техническите и технологични възможности и други аспекти. Провеждат се и множество международни форуми, в които на преден план се поставя този въпрос. Темата за сигурността е толкова обширна, че може да бъде свързана с почти всички науки и области. В нея приложение намират много на пръв поглед несъвместими теории. Това може да се дължи на постоянния стремеж на специалистите да намерят един универсален начин за предоставяне на задоволително ниво на сигурност на човечеството. Опитват се да приобщят изследванията си във всевъзможни области, за да достигнат желаните резултати.

В този реферат ще бъде разгледана една от областите, в която също има немалко опити да бъде постигнат напредък що се отнася до равнищата на сигурност. А именно - квантовата парадигма на сигурността. Също както и сигурността, квантовата парадигма е много обширна тема, състояща се от множество подкатегории и изследвания. Наборът от информация в това поле е с огромен потенциал за развитие. За целите на настоящия реферат ще се опитам да конкретизирам няколко от приложенията на квантовата парадигма в областта на сигурността. Ясно е, че няма реална възможност да бъдат обхванати всички методи, наблюдения и заключения свързани с тази тема. Поради тази причина вниманието ще е насочено към определени сфери на приложение на квантовата физика в сигурността. Понятието квантова физика веднага извиква в съзнанието ни имената на няколко бележити личности свързани с нея. Най-известни сред тях са Нийлс Бор, Алберт Айнщайн, Ървин Шрьодингер, Макс Планк, считан за "бащата на квантовата теория" и много други. Всички те са се заели с трудната задача да изяснят законите на квантовата физика и механика още от първото десетилетие на 20-ти век, когато за първи път се сблъскваме със словосъчетанието квантова физика и когато е поставено началото на нейното изследване и опознаване. Това е един относително дълъг период от време, в който са се появили безброй теории, водени са неспирни спорове относно точното определение и приложение на тази наука. Това в голяма степен е помогнало в днешно време да знаем толкова много за този интересен поглед към физиката. И в същото време е причина за мотивацията на физици от цял свят да посветят трудовете си на тази област.

Изглежда странно, когато си представим, че повечето от представите ни за вселената в някои моменти от историята са били грешни, но е така. Ако вземем например квантовата механика. Теорията, върху която тя лежи в миналото вероятно е изглеждала непонятна, но днес всички са запознати с нея и приемат набора от закони, които я описват. Тя управлява всеки атом и елементарна частица във всеки вид материя. Заобикаля ни навсякъде, но ние не усещаме това, което разбира се, не означава, че механизмите й не са свързани с всичко около нас. Докато са се занимавали с обикновената механика и физика, учените са считали, че откритията им обясняват до голяма степен заобикалящия ни свят, но квантовата физика променя това.

Като за начало ще започна с кратко въведение, в което ще се опитам да обясня с какво се занимават науките квантова физика и квантова механика, които са в основата на това теоритично изследване. Обобщеното понятие квантова физика включва в себе си няколко раздела, сред които квантова механика, физика на елементарните частици, квантова оптика, ядрена физика и др. Още от началото на развитието си през 1900 г. квантовата физика се свързва с константата на Планк, която най-общо казано описва връзката между енергиятана електромагнитната вълна и нейната честота.

На пръв поглед изглежда, че сигурността и квантовата физика нямат много допирни точки, но при по-задълбочено наблюдение могат да бъдат открити тесни връзки между двете. По-нататък в изложението ще стане дума както за чисто практичното приложение на квантовата физика в осигуряване на сигурността, така и за абстрактното възприемане на тази тема. А именно как теоритичното определение за квантов скок може да бъде пренесено в ежедневния живот на гражданите. Би било непосилна задача да се опитваме да обхванем всеки един аспект на приложение на квантовата физика в реалния живот поради причината, че това е една всеобхватна наука, която през многогодишното си развитие и осъществени опити и изследвания може да намери своето място в почти всички области, за които можем да си помислим.

За да е налице чувство за сигурност има много фактори, на които трябва да се обърне внимание. Някои са психологически, други - физически. Под психически фактори се има предвид степента на защитеност на лична информация, данни, осигурителни номера и др. В днешно време животът ни все повече зависи от техниката. Ежедневни операции се извършват с помощта на мощни компютри. По този начин се увеличава и рискът от проникване в личните данни на гражданите от недоброжелатели. Нормално е, когато науката и технологиите се развиват с такава скорост, със същата скорост да се развиват и опитите на хакерските атаки да се възползват то този подем.

С напредването на науката нуждата от сигурна обмяна на информация е станала важна част от механизмите за преноса й. Персоналната информация като банкови сметки и кредитна информация редовно преминава през комуникационни канали. Точно за това е толкова важно тези данни да останат тайни. За тази цел е създадена криптографията. Тя се използва почти навсякъде, където е нужно да бъде опазена информация от трети лица. Като резултат непокътнатостта на тази информация е пряко свързана с математически неразбиваемата сила и качеството на изпълнение на криптографските решения. Но, разбира се нито един от тези фактори не може да бъде гарантиран през цялото време. Много често недобронамерени потребители използват тези недостатъци за лична изгода.

Едно от постиженията на науката, на които си заслужава да се обърне внимание, е квантовата криптография. Тя е тясно свързана с гарантирането сигурността на дадена институция както и с положителното развитие, което е претърпяло приложението на квантовата физика. Става въпрос за компютърна мрежа, която, според създателите си, не може да бъде разбита. Темата за квантов компютър е била представена през 1981 г. от Ричард Файнман, който е физик, специализирал квантова механика и физика на елементарните частици. Той задал въпроса какъв би трябвало да бъде компютърът, който позволява да се моделира природата. И след разсъжденията си стигнал до извода, че отговорът е квантовия компютър. Според Сергей Доронин устройството наречено квантов компютър не изисква кой знае колко много клетки работна памет за обработка на информацията. Ще са достатъчни само няколкостотин такива. Да кажем 300 клетки ще стигнат, за да може информационният ресурс на този компютър да превиши 10 пъти броя на частиците във Вселената. Целият този масив от информация може да се променя съгласувано само с един работен такт. Това поразяващо различие между квантовия и обикновения компютърсе обяснява с факта, че ефективността на последния нараства експоненциално с увеличаване броя на клетките на неговата памет... добавянето на всяка нова клетка към наличната вече памет увеличава два пъти ефективността на това устройство. (Квантовата магия, София, 2011: 17-18 стр.)

Идеята зад този модел компютър е проста. Като контраст на традиционния компютър, където данните се представят като последователност от двоичен код, квантовият компютър работи с частици информация наречени кубити, които имат потенциал да пресъздадат много различни състояния по едно и също време. Това качество е познато като суперпозиционен принцип на квантовата механика, който най-просто казва, че една частица може да бъде във всички възможни квантови състояния по едно и също време, но когато бива измервана се вижда само в едно от тези състояния. Също така е важно да се отбележи, че ефективното измерване на квантовото състояние на кубита променя неговото състояние. Изводът от това е, че определени математически алгоритми и научни процеси ще бъдат значително улеснени, имайки предвид невъзможността на традиционните компютри да се справят с тази задача. Това означава, че в бъдеще изчислителната сила на квантовите машини ще надмине обикновените компютри и резултатът ще бъде промяна в компютърната парадигма. Д-р Ерик Уест, който е професов в Департамента по физика на института по технологии в Рочестър, има силна вяра в бъдещето на квантовите компютри и всички производни приложения, които следват. Той смята, че физичните качества на квантовата механика и физиката на елементарните частици се изясняват с всеки изминал ден в сферата на физиката и при напредването на технологиите обществото ще може да подкрепи създаването на устройства, които едновременно подражават и копират това квантово поведение. Въпрос на време е квантовите компютри да станат важна част от ежедневието.

Преди няколко години е била реализирана първата практическа система за квантова криптография. Тя стои в основата на създадената във Виена компютърна мрежа. Неразбиваемостта й се състои в това, че в нея са заложени базови физически принципи и при нарушаването им ще бъде загубена информация. Различното при квантовата криптография е, че преди създаването й всички методи са се базирали на математически процедури, които лесно могат да бъдат разбити, но защитата на данните чрез квантов принцип използва закони на квантовата физика, които са с особена физическа природа. Още преди десетилетия са били разработени принципите за защита по този метод. Те са осъществени от инженера на IBM Чарлз Бенет и изследователя от Монреалския университет Жил Брасар. Този вид система е била представена на научна конференция за системи за защита на данните във Виена. Според създателите й по начало всички квантови механизми са базирани на Принципа на неопределеността на Хайзенберг през 1927 г. Този принцип гласи, че не може да бъде прехваната квантова информация, без тя да бъде променена или разрушена. Основния принцип лежи върху неопределеността на квантовата система. А именно, че е невъзможно едновременно да бъдат получени координатите и импулсът на частицата. Не може да бъде измерен един параметър на фотона без да бъде изменен друг. Това се обяснява с т.нар. сплетеност на квантовите частици. Това е форма на квантовата суперпозиция. Когато се направи измерване едната частица от сплетената двойка приема определена стойност, а другата във всеки следващ момент от време ще приема съответна противоположна стойност. По този начин има съотношение между резултатите от направените измервания и това съотношение може да се наблюдава, дори сплетената двойка да е разделена от огромно разстояние. При квантовото сплитане част от трансфера става моментално. Множество екперименти показват, че тази зависимост е налице дори, когато измерванията се правят със скорост по-висока от тази на светлината около 10 000 пъти по последни изчисления. С други думи, системата се кодира сама, защото фотоните от светлина, които се движат в мрежата представляват едноврменно и ключове и информация. Ако все пак хакерски атаки успеят да проникнат в системата и да прихванат ключа, те трябва да прихванат определени фотони с тяхната поляризация. В случай, че това стане последователността от фотони ще бъде променена и информацията няма да може да бъде разшифрована.

Имайки предвид увереността, че измерването на един кубит данни ефективно изменя неговото състояние, е ясно, че протоколите за разделяне на ключове основани на квантовата механика предлагат особено сигурен начин да поддържат надеждна комуникация без опасност от надоброжелателни потребители да "разбият" системата. Това е така, защото е невъзможно хакери да успеят да прочртат тайния ключ без изцяло да променят стойността му и по този начин да осведомят двете страни, обменящи данни. Забелязва се как квантовата криптография значително се различава от всички останали начини за кодиране на информация, използвани днес. Ясно е, че методите, използвани за кодиране на данни до сега, са базирани на математически процедури и схеми, които е трудно да бъдат разбити, все пак е възможно да се проникне в тях с цената на много изразходвано време. Но системите, защитени с квантпва криптография, използват базови принципи на физичните квантови закони, които не могат да се пренебрегнат, поради уникалната им природа.

С все по-убедителното си навлизане и развитие на информационната ера, състоянието на квантовите компютри и степента на реалното осъществяване на целите й неизбежно ще се подобрява с високи темпове. Ако законът на Муур ни е научил на нещо, то е, че технологиите напредват много бързо и е само въпрос на време преди да разполагаме с инструментите, нужни за за построяването на технологично-подобрени квантви компютри. Дори и сега да е с ограничено приложение, тази тема си заслужава вложените в нея време, пари и усилия заради ползите в бъдеще. Тъй като базата, върху която лежат квантовите компютри е солидна, потенциалните изгоди в квантовата област изглеждат безгранични. Нещо повече, с това ново възприятие на осигуряване на дигитална сигурност се очаква обществото да навлезе в нова информационна ера, в която всяко прехвърляне на информация между две страни ще се извършва чрез публични канали. Само тогава ще можем да осъществяваме комуникацията помежду си без притеснение.

В този реферат беше засегната само една от областите на приложение на квантовата физика и механика. Имайки предвид, че полетата на използване на тези науки се увеличават с всяка изминала година съвсем не е грешно да си представим свят, в който квантовите закони ще заемат сериозна част от научните експерименти. Някои от тези приложения в момента ни изглеждат като фантастика, но с темповете на развитие на науката нищо не може да остане неизвестно за дълго време. Светът разполага с учени, способни да създадат гениални машини. Въпрос на лична съвест е те да бъдат използвани за постигане на напредък, а не за действия със заплашителен за сигурността характер. Квантовата физика е част от нас. Това, че не е била открита до 1900 г. не означава, че не е съществувала. Този факт още повече подкрепя твърдението, че в нея се намира нашето бъдеще. Разбира се, има учени, които не са изцяло съгласни с изказванията и изследванията на своите колеги. Тепърва предстоят множество спорове и съответно техните решения в тази област.

Използвани източници:

1. Доронин, С. (2011) Квантовата магия, С., "Изток - Запад";
2. http://www.freeforum.politolozi.com/ 25.03.2013 г.;
3. http://arstechnica.com/ 26.03.2013 г. ;
4. http://ritsciencewriters.blogspot.com/2011/11/quantum-leap-in-cryptography.html/ 26.03.2013 г. ;
5. http://www.cs.rit.edu/ 27.03.2013 г.
6. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1918/planck-lecture.html/ 27.03.2013 г.





Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Квантова парадигма на сигурността 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.