Квантовые деньги

Эскиз квантовой банкноты Стивена Визнера

Ква́нтовые де́ньги — разрабатываемые банкноты нового поколения, у которых в качестве основной системы защиты от подделки применяется квантовая криптография.

Идея квантовых денег принадлежит аспиранту Колумбийского университета Стивену Визнеру (англ.)русск. (Stephen J. Wiesner, 1942 г.р.), выдвинута им в конце 60-х годов. Стивен Визнер в 1970 году подал статью по теории кодирования в журнал IEEE Information Theory (англ.)русск., но она не была опубликована, так как изложенные в ней предположения редакция посчитала антинаучными. Уровень технологий тех лет не позволял рассуждать о таком принципе криптографии. Только в 1983 году работа Визнера «Сопряжённое кодирование» была опубликована в SIGACT News (англ.)русск. и получила высокую оценку в научных кругах^[1][2].

Квантовые деньги смоделированы только в лабораторных условиях. Их изготовление не осуществляется^[3].

Идея Визнера

Визнер предлагал вмонтировать в каждую банкноту 20 «световых ловушек», и поместить в каждую из них по одному фотону, поляризованному в строго определённом состоянии. Каждая банкнота маркировалась бы специальным серийным номером, который заключал информацию о положении поляризационного фотонного фильтра. При использовании некорректного фильтра комбинация поляризованных фотонов стиралась. Последовательность поляризационных фильтров хранится в банке, что позволяет обеспечить максимальную защиту банкнот от подделки^[4]. Концепция Визнера длительное время оставалась не востребована, так как не были созданы надёжные ловушки фотонов.

От теории к практике

Теорема о запрете клонирования делает невозможным создание идеальной копии произвольного неизвестного квантового состояния, что не позволяет производить незаконное тиражирование банкнот. Вероятность удачного копирования не превышает $(5/6)^N$, (где $N$ — число фотонов на банкноте). Но так как подлинность купюры может установить только банк-эмитент, который обладает информацией о поляризации фотонов, то использование этой технологии на практике являлось невозможным.

В 2009 году сотрудники Массачусетского технологического института (Кембридж), опубликовали доклад, в котором отразили вариант решения этой проблемы. Авторы статьи предложили использовать «квантовые деньги с открытым ключом». Идея заключается в том, что банк составляет секретное описание квантового состояния для конкретной банкноты, и алгоритм установления подлинности этого состояния. Владение информацией о копии состояния и алгоритме проверки позволяет установить подлинность банкноты, но не позволяет раскрыть секрет кодирования, что и обеспечивает безопасность.

В этой схеме, однако, банк сохраняет возможность бесконтрольно «печатать» копии банкнот. Авторы работы нашли способ ограничить банкам эту возможность. В предложенной ими схеме для создания денег используется квантовое состояние, которое банк не сможет (за разумное время) воспроизвести заново. Устанавливать подлинность таких денег можно, по мнению ученых, с помощью алгоритма, основанного на модели Маркова^[5][6].

Недостатки

Носители квантовой информации, в частности отдельные квантовые ядра, отличаются особой чувствительностью. Под воздействием помех и неверного обращения код может со временем незначительно меняться.

Осенью 2012 года ученые из Института Макса Планка по квантовой оптике в Гархинге (Германия), Гарвардского университета в Кембридже (штат Массачусетс), и Калифорнийского технологического института в Пасадене, опубликовали свои исследования в журнале PNAS^[7]. Ученые считают необходимым снизить требования к подтверждению подлинности денег и принимать банкноты, знаки которых соответствуют оригинальному коду не менее чем на 90 %. Для устранения этой погрешности, физики в данном исследовании предлагают использовать новый класс проверки протоколов, который терпим к ошибкам, связанным с кодировкой, хранением и декодированием квантовых битов.

В первом варианте протокола квантовая информация должна передаваться для подтверждения заверяющей инстанции лично владельцем денег. Во втором, проверяющая инстанция отправляет запрос держателю средств, самостоятельно замеряющему информацию, сохраненную в кубитах. В обоих случаях банк выдает «квантовое свидетельство» и пересылает его владельцу^[8].

Примечания

1. ↑ Квантовая криптография: принципы, протоколы, системы
2. ↑ S. Wiesner, Sigact News, 15, 78 (1983)
3. ↑ Квантовая физика защитит деньги от подделки
4. ↑ Quantum money
5. ↑ Предложена новая концепция квантовых денег
6. ↑ Breaking and making quantum money: toward a new quantum cryptographic protocol
7. ↑ Quantum mechanics could make money, credit cards, and tickets immune to fraud
8. ↑ Физики разработают квантовые деньги, которые невозможно подделать

См. также

• Квантовая криптография
• Защищённая полиграфия