RU EN ES 中文

Протокол E91

Как запутанные фотоны превращают подслушивание в то, что невозможно скрыть

Что делает E91 уникальным?

Представьте две волшебные монетки. Каждая по отдельности падает совершенно случайно. Но если Алиса и Боб подбросят их «под одним углом», монетки всегда выпадут противоположными сторонами — как бы далеко друг от друга ни были. Это и есть квантовая запутанность: каждый результат случаен, а вместе они согласованы.

Протокол E91, предложенный Артуром Экертом в 1991 году, использует это свойство, чтобы получать ключи, подслушивание которых невозможно скрыть. В отличие от BB84, где Алиса сама готовит фотоны, в E91 их рассылает источник запутанных пар, а подслушивание выдаёт проверка Белла.

Квантовая запутанность
A
Алиса
B
Боб

Результаты измерений запутанных фотонов связаны на любом расстоянии, хотя каждый по отдельности случаен. Передать так сообщение нельзя — связь видна, только когда Алиса и Боб сравнят записи.

Ключевая мысль: E91 не просто защищает от подслушивания — он обнаруживает саму попытку. Чтобы узнать бит, Еве нужно измерить фотон, а измерение разрушает запутанность. Фотоны начинают вести себя как обычные, и доля побед в игре Белла падает до 75% и ниже.

Три угла у каждого

Алиса и Боб измеряют поляризацию фотонов, поворачивая поляризатор. У каждого три угла, и для каждой пары угол выбирается случайно.

Алиса

|||

0°, 22.5° и 45°

Боб

|||

22.5°, 45° и 67.5°

Совпадения

🔑

22.5°/22.5° и 45°/45° — биты идут в ключ

Чем ближе углы Алисы и Боба, тем чаще их биты противоположны: при одинаковых углах — всегда, при разнице 22.5° — в 85% случаев, при 45° — как монетка, при 67.5° — лишь в 15%.

Именно такая зависимость от угла невозможна в классическом мире. Её и проверяют, чтобы убедиться, что фотоны по-прежнему запутаны.

Как это работает?

E91 использует запутанные пары фотонов, которые распределяются между Алисой и Бобом. Давайте разберём процесс по шагам:

1

Распределение запутанных пар

Источник создаёт запутанные пары фотонов и посылает один фотон Алисе, другой — Бобу. Если оба измерят фотоны под одним углом, их биты всегда окажутся противоположными.

2

Случайные измерения

Алиса и Боб независимо и случайно выбирают угол из своих трёх и записывают результат: 0 — фотон прошёл через поляризатор, 1 — нет.

3

Квантовые корреляции

При одинаковых углах биты всегда противоположны. При разных — чем больше разница, тем чаще биты совпадают. Каждый бит сам по себе случаен.

4

Объявление углов

По открытому каналу Алиса и Боб сообщают, какие углы они выбирали, — но не результаты.

5

Разделение пар

Пары с одинаковыми углами идут в ключ: Боб переворачивает свои биты и получает копию бит Алисы. Пары с углами Алисы 0°/45° и Боба 22.5°/67.5° идут на проверку Белла. Остальные отбрасываются.

6

Проверка Белла — игра на угадывание

Проверочные пары Алиса и Боб раскрывают полностью. В каждом раунде есть цель: при 0°/67.5° биты должны совпасть, в остальных сочетаниях — различаться. Будь у фотонов заранее заготовленные ответы («шпаргалка»), никакая шпаргалка не дала бы больше 75% побед. Запутанные фотоны выигрывают около 85%.

7

Ключ

Если побед заметно больше 75%, а ошибок в ключе мало, запутанность цела и Ева знает о ключе мало: ключ исправляют и сжимают. Если побед 75% или меньше — фотоны вели себя как обычные, значит, их кто-то измерял, и ключ отбрасывают.

А теперь — главная магия

В симуляции протокола E91 вы:

Вы не просто читаете о квантовой запутанности — вы проверяете её сами. Вы увидите, как разница между 75% и 85% побед превращается в детектор подслушивания, и поймёте, почему E91 называют одним из самых красивых протоколов квантовой криптографии.

Для любознательных

Неравенства Белла: математический детектор лжи

Неравенства Белла — это математические условия, которые должны выполняться в любой классической локальной теории. Если вы измеряете запутанные частицы и нарушаете эти неравенства — значит, система действительно квантовая и запутанная.

В E91 проверка Белла использует пары, где углы Алисы и Боба не совпали. Физики записывают её через корреляции E = (совпадений − различий) / всего и число S = E₁ − E₂ + E₃ + E₄ (неравенство CHSH). Доля побед в игре Белла равна 1/2 + |S|/8: классический предел |S| ≤ 2 — это 75%, квантовый максимум 2√2 ≈ 2.83 — около 85%.

Теорема Белла

Доказательство того, что никакая локальная скрытая переменная теория не может воспроизвести все предсказания квантовой механики

Парадокс ЭПР

Мысленный эксперимент Эйнштейна-Подольского-Розена, который пытался показать "неполноту" квантовой механики, но привёл к открытию запутанности

Эксперименты Аспекта

Первые экспериментальные подтверждения нарушения неравенств Белла в 1980-х годах, доказавшие реальность квантовой запутанности

Почему именно три угла?

Для проверки Белла каждому нужно по два угла: Алисе — 0° и 45°, Бобу — 22.5° и 67.5°. А для ключа нужны одинаковые углы — 22.5° и 45°. Три угла у каждого — наименьший набор, который даёт и то, и другое. В статье Экерта углы 0°, 45°, 90° даны для спинов; для поляризации фотонов они вдвое меньше.

Сравнение с BB84

Чем E91 отличается от BB84:

  • Источнику можно не доверять: даже если его поставила Ева, проверка Белла покажет, честные ли пары он рассылает
  • Ключа нет до измерения: биты рождаются в момент измерения у Алисы и Боба, украсть их заранее невозможно
  • Цена: нужны источники запутанных пар и больше измерений, поэтому в коммерческих системах чаще встречаются протоколы семейства BB84
  • Наследие: идея E91 легла в основу протоколов, независимых от устройств (DI-QKD), где безопасность проверяется только по статистике Белла

Историческая справка

Протокол E91 был предложен Артуром Экертом (Artur Ekert) в 1991 году. Это был первый протокол квантового распределения ключей, который явно использовал нарушение неравенств Белла для обнаружения подслушивания.

Интересный факт: Экерт был вдохновлён не только криптографией, но и фундаментальными вопросами квантовой механики. Его протокол стал мостом между "чистой" квантовой физикой и практическими приложениями в информационной безопасности.

Современные реализации

Сегодня протокол E91 и его варианты применяются в:

  • Оптоволоконных сетях с источниками запутанных пар
  • Спутниковой связи: в 2020 году китайский спутник «Мо-цзы» раздал запутанные фотоны двум станциям в 1120 км друг от друга, и они выработали общий ключ
  • Протоколах, независимых от устройств (DI-QKD): первые экспериментальные демонстрации — 2022 год
  • Фундаментальных проверках квантовой нелокальности
  • Прототипах квантового интернета
Философский аспект: E91 использует саму природу реальности как охранную систему: защиту даёт не сложность вычислений, а законы квантовой физики. Уязвимыми остаются только несовершенства реальной аппаратуры — поэтому физики так ценят проверку Белла, которая не требует доверять приборам.

Теперь, когда вы понимаете магию квантовой запутанности и протокола E91, самое время создать свой собственный запутанный ключ!

В игре вы проведёте разминку с запутанными фотонами, запустите источник, сыграете в игру Белла и увидите, как она выдаёт Еву