Квантовые коммуникации и защита информации

Автор курса: профессор Сергей Павлович Кулик. Центр квантовых технологий физического факультета МГУ

Первая часть курса посвящена классической криптографии — её истории, базовым понятиям и фундаментальным проблемам, которые в итоге привели к появлению квантовых методов защиты информации.
Модуль 1 закладывает теоретический фундамент: даёт понимание классических криптографических методов, их уязвимостей и той проблемы распределения ключей, для решения которой и создаются квантовые технологии.

Вторая часть курса посвящена физическим основам квантовой криптографии — математическому аппарату описания кубита, ключевым квантовым принципам, обеспечивающим секретность, и практическим протоколам квантового распределения ключей (КРК).
Модуль 2 даёт физико-математическую базу квантовой криптографии: объясняет, почему квантовые состояния невозможно скопировать незаметно, как это свойство превращается в гарантию обнаружения подслушивания, и как на практике работают протоколы квантового распределения ключей BB84 и Экерта.

Третья часть курса посвящена аппаратной реализации квантовых коммуникаций — способам физического кодирования кубитов, оптическим компонентам, источникам и детекторам единичных фотонов, а также факторам, ограничивающим практические системы квантового распределения ключей (КРК).
Модуль 3 отвечает на вопрос «как это делается на практике»: показывает, какими физическими средствами кодируются кубиты, какие оптические компоненты используются в реальных системах КРК, какие существуют ограничения по дальности и скорости, и как выбираются источники и детекторы для конкретных применений.

Четвёртая часть курса посвящена анализу ошибок и атак в системах квантового распределения ключей (КРК). Рассматривается, откуда берутся ошибки, как они связаны с утечкой информации к подслушивателю, какие существуют типы атак и каковы пороговые значения QBER, при которых протокол ещё остаётся безопасным.
Модуль 4 показывает, что безопасность КРК — не абсолютна, а зависит от уровня ошибок: каждая атака даёт свою зависимость информации Евы от QBER и свой порог, выше которого протокол перестаёт быть безопасным. Именно поэтому в реальных системах критически важны точный контроль QBER, исправление ошибок и усиление секретности.

Пятая часть курса посвящена атмосферным и космическим каналам связи, а также протоколам квантовой телепортации и сверхплотного кодирования. Материал показывает, как квантовые коммуникации выходят за пределы оптоволокна — в открытое пространство и на орбиту.
Модуль 5 показывает, что квантовые коммуникации — это не только лабораторные и волоконные системы, но и реальные атмосферные и спутниковые каналы, способные работать на расстояниях в сотни и тысячи километров. Кроме того, здесь рассматриваются протоколы телепортации и сверхплотного кодирования — фундаментальные инструменты квантовых сетей будущего, а также обозначается стратегический выбор между квантовой и постквантовой криптографией.