Kvantové komunikace a kryptografie

Abstract

Diplomová práca skúma základné princípy kvantovej fyziky a ich uplatnenie v kryptografii, generovaní náhodných čísel a telekomunikáciách. Práca poskytuje teoretický základ opisom kľúčových pojmov ako qubity, superpozícia, interferencia, kvantové previazanie, zákaz klonovania a princíp neurčitosti. Následne analyzuje kvantové protokoly kvantovej distribúcie kľúčov QKD - BB84, E91, COW a DPS, ako aj rôzne kvantové kryptografické schémy vrátane kvantového hodu mince, kvantového záväzku, kvantové zdieľanie tajomstiev, kvantovej byzantskej dohody. Osobitný dôraz je kladený na kvantové generátory náhodných čísel a kvantovej komunikácii, vrátane kvantové overovania polohy a synchronizácie čase. Každý z týchto protokolov bol dôkladne vysvetlený vrátane ich bezpečnosti, a v neposlednom rade bol porovnaný s klasickou verziou daného protokolu. Hlavným praktickým prínosom je vytvorenie interaktívnej aplikácie QuantumSim, ktorá umožňuje simuláciu a vizualizáciu vybraných kvantových protokolov, čím poskytuje vzdelávací nástroj na ich lepšie pochopenie. Zdrojový kód aplikácie QuantumSim je dostupný pod odkazom https://github.com/palirepa/QuantumSim.

The diploma thesis examines the fundamental principles of quantum physics and their application in cryptography, random number generation, and telecommunications. The thesis provides a theoretical foundation by describing key concepts such as qubits, superposition, interference, quantum entanglement, the no-cloning theorem, and the uncertainty principle. Subsequently, it analyzes quantum key distribution protocols QKD - BB84, E91, COW, and DPS, as well as various quantum cryptographic schemes including quantum coin toss, quantum commitment, quantum secret sharing, quantum Byzantine agreement. Additional emphasis is placed on quantum random number generators and quantum communication, including quantum position verification and time synchronization. Each of these protocols were explained thoroughly including their security, and last but not least, they were compared with the classical version of the given protocol. The main practical contribution is the creation of an interactive application QuantumSim, which enables simulation and visualization of selected quantum protocols, thus providing an effective educational tool for better understanding them. The source code of the QuantumSim application is available at https://github.com/palirepa/QuantumSim.