Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Конечно, электронная коммерция была бы немыслимой без способности шифровать сообщения, позволяющей кленту послать информацию о кредитной карточке продавцу, не беспокоясь, что ее узнает весь мир. Большие суммы денег были потрачены на технологии, обеспечивающие безопасность коммерческих транзакций через Интернет, и развитие успешных методов обмена финансовой информацией во многом ответственно за взрывной рост онлайн-магазинов.

Это может показаться странной темой для книги по квантовой физике, поскольку в настоящий момент безопасность онлайн-транзакций гарантируется чисто классическими средствами. По мере завершения нашего исследования физики повседневной реальности мы сделаем один короткий экскурс в умозрительную область. Квантовая криптография, которую я опишу в этой главе, широко не применяется… еще.

Однако эти технологии весьма реальны и становятся все более практическими с каждым днем. Осенью 2017 года исследователи из Пекина и Вены продемонстрировали основанную на квантовых эффектах защищенную линию коммуникаций через китайский спутник, открыв исследовательскую конференцию телефонным звонком, который был защищен квантовым ключом, между Китаем и Австрией. Широкое распространение глобальных квантовых коммуникаций не за горами, несмотря на тот факт, что они имеют свои корни в некоторых наиболее экзотических физических явлениях, которые когда-либо были открыты.

Квантовая криптография основана на идее «запутанности[260]», возможно, одной из наиболее будоражащих из всех странных свойств квантовой механики. Квантовая запутанность устанавливает связь между частицами на больших расстояниях, эту мысль Эйнштейн лихо высмеял как «жуткое дальнодействие». Однако многочисленные эксперименты с 1970-х годов продемонстрировали реальность этих явлений, заставив физиков глубже понимать пространство, время и передачу информации.

На первый взгляд, вопросы, которые поднимает запутанность, могут показаться, в первую очередь, философскими, но в действительности они имеют глубоко практические применения. Если мы пытаемся передать послание от одного человека к другому так, чтобы никто, кроме них, не смог прочитать его, то эта «жуткая» связь между запутанными частицами оказывается как раз тем, что нужно.

Секрет как хранить секреты

Основная проблема криптографии существовала, наверное, со времен изобретения письменности. Самый очевидный способ сохранить секреты – поделиться информацией с глазу на глаз, но личные встречи не всегда можно осуществить на практике. Одним из решений станет использование кодов: написать послание так, чтобы оно имело смысл только для того, кому предназначается, но казалось тарабарщиной для любого другого, кто перехватит его.

Существует множество остроумных систем кодирования, которые насчитывают тысячи лет, но мы заинтересованы в современной безопасности, а она лучше всего понимается на языке математики. В современных криптосистемах секретное послание превращается в строчку чисел, и затем выполняет над ними некоторые математические операции отправитель, в результате получается другая строчка чисел, какую открыто посылают получателю. Если получатель точно знает, что было сделано, он может проделать это в обратном порядке, восстановив первоначальное послание: любой другой получит лишь бессмысленную строчку.

Для того чтобы привести конкретный, но простой пример, представьте, что вы совершаете замену букв на числа по простому правилу: А=01, B=02, и так далее до Z=26. Если мы хотим закодировать слово «BREAKFAST» (завтрак), то получим:

Для математической операции, которая еще больше запутает смысл, мы возьмем строчку случайно повторяющихся единиц и нулей в качестве нашего шифровального ключа, одну на каждую буку послания. Затем мы скомбинируем обе строки, добавив единицу к изначальному числу, если наш ключ имеет 1 в этой позиции, и вычитая единицу, если наш ключ имеет 0.

Человек, получивший шифрованный текст «A S D Z J E B T S», не зная кода, скорее всего подумает, что отправителем был кот, который опять топтался по клавиатуре. Если у получателя, кому и направлялось письмо, есть шифр и он знает нужную последовательность операций, он может проделать дешифровку, обратив процесс шифрования – добавив единицу для нуля в ключе, вычитая единицу для 1 в ключе – и восстановить первоначальное послание[261].

Этот простой шифр иллюстрирует основной принцип, что также был проблемой шифрования: он зависит от условия, при котором и отправитель, и получатель должны знать правильную последовательность действий при расшифровке, то есть должны оба иметь один и тот же ключ – в нашем случае это 010000110. Если получатель не имеет того же ключа, что и отправитель, он не сможет декодировать послание, как и любой посторонний, случайно его перехвативший.