Квантовая криптография

[править]Квантовый криптоанализ

Частотный спектр в оптическом канале квантово-криптографической системы.

Широкое распространение и развитие квантовой криптографии не могло  не спровоцировать появление квантового криптоанализа, который обладает неоспоримыми преимуществами и экспоненциально перед обычным. Рассмотрим, например, всемирно известный и распространенный в наши дни алгоритм шифрования RSA (Rivest, Shamir, Adleman, 1977). В основе этого шифра лежит идея того, что на простых компьютерах невозможно решить задачу разложения очень большого числа на простые множители, ведь данная операция потребует астрономического времени и экспоненциально большого числа действий. Поэтому, для решения этой задачи, и был разработан квантовый алгоритм, позволяющий найти за конечное и приемлемое время все простые множители больших чисел, и, как следствие, взломать шифр RSA. Поэтому создание квантовой криптоаналитической системы является плохой новостью для RSA и любого другого шифра, ведь квантовый криптоанализ может быть применён ко всем классическим шифросистемам. Необходимо только создание квантового компьютера, способного развить достаточную мощность.

[править]Взлом квантовой системы^[2][3]

В 2010 году учёные успешно опробовали один из возможных способов необнаружимой атаки, показав принципиальную уязвимость двух криптографических систем, разработанных компаниями ID Quantique и MagiQ Technologies. И уже в 2011 году работоспособность метода была проверена в реальных условиях эксплуатации, на развёрнутой в Национальном университете Сингапура системе распространения ключей, которая связывает разные здания отрезком оптоволокна длиной в 290 м.

В эксперименте использовалась физическая уязвимость четырёх однофотонных детекторов (лавинных фотодиодов), установленных  на стороне получателя (Боба). При нормальной работе фотодиода приход фотона вызывает образование электронно-дырочной пары, после чего возникает лавина, а результирующий выброс тока регистрируется компаратором и формирователем импульсов. Лавинный ток «подпитывается» зарядом, хранимым небольшой ёмкостью (≈ 1,2 пФ), и схеме, обнаружившей одиночный фотон, требуется некоторое время на восстановление (~ 1 мкс).

Если на фотодиод подавать такой  поток излучения, когда полная перезарядка  в коротких промежутках между  отдельными фотонами будет невозможна, амплитуда импульса от одиночных  квантов света может оказаться  ниже порога срабатывания компаратора.

В условиях постоянной засветки лавинные фотодиоды переходят в «классический» режим работы и выдают фототок, пропорциональный мощности падающего излучения. Поступление  на такой фотодиод светового импульса с достаточно большой мощностью, превышающей некое пороговое  значение, вызовет выброс тока, имитирующий  сигнал от одиночного фотона. Это и  позволяет криптоаналитику (Еве) манипулировать результатами измерений, выполненных Бобом: она «ослепляет» все его детекторы с помощью лазерного диода, который работает в непрерывном режиме и испускает свет с круговой поляризацией, и по мере надобности добавляет к этому линейно поляризованные импульсы. При использовании четырёх разных лазерных диодов, отвечающих за все возможные типы поляризации (вертикальную, горизонтальную, ±45˚), Ева может искусственно генерировать сигнал в любом выбранном ею детекторе Боба.

Опыты показали, что схема взлома работает очень надёжно и даёт Еве прекрасную возможность получить точную копию ключа, переданного Бобу. Частота появления ошибок, обусловленных неидеальными параметрами оборудования, оставалась на уровне, который считается «безопасным».

Однако, устранить такую уязвимость системы распространения ключей довольно легко. Можно, к примеру, установить перед детекторами Боба источник одиночных фотонов и, включая его в случайные моменты времени, проверять, реагируют ли лавинные фотодиоды на отдельные кванты света.

[править]Подключай и работай (Plug & Play)

Практически все квантово-оптические криптографические системы сложны в управлении и с каждой стороны  канала связи требуют постоянной подстройки. На выходе канала возникают  беспорядочные колебания поляризации  ввиду воздействия внешней среды  и двойного лучепреломления в  оптоволокне. Но недавно была сконструирована  такая реализация системы, которую  смело можно назвать plug and play («подключай и работай»). Для такой системы не нужна подстройка, а только синхронизация. Система построена на использовании зеркала Фарадея, которое позволяет избежать двойного лучепреломления и как следствие не требует регулировки поляризации. Это позволяет пересылать криптографические ключи по обычным телекоммуникационным системам связи. Для создания канала достаточно лишь подключить приёмный и передающий модули, провести синхронизацию и можно начинать передачу. Поэтому такую систему можно назвать plug and play.

[править]Перспективы развития

Сейчас одним из самых важных достижений в области квантовой  криптографии является то, что ученые смогли показать возможность передачи данных по квантовому каналу со скоростью  до 1 Мбит/с. Это стало возможно благодаря  технологии разделения каналов связи  по длинам волн и их единовременного  использования в общей среде. Что кстати позволяет одновременное  использование как открытого, так  и закрытого канала связи. Сейчас в одном оптическом волокне возможно создать около 50 каналов. Экспериментальные данные позволяют сделать прогноз на достижение лучших параметров в будущем:

1) Достижение скорости передачи  данных по квантовому каналу  связи в 50 Мбит/с, при этом единовременные ошибки не должны будут превышать 4 %.

2) Создание квантового канала  связи длиной более 100 км.

3) Организация десятков подканалов  при разделении по длинам волн.

На данном этапе квантовая криптография только приближается к практическому  уровню использования. Диапазон разработчиков  новых технологий квантовой криптографии охватывает не только крупнейшие мировые  институты, но и маленькие компании, только начинающие свою деятельность. И все они уже способны вывести  свои проекты из лабораторий на рынок. Все это позволяет сказать, что  рынок находится на начальной  стадии формирования, когда в нём  могут быть на равных представлены и те и другие.

Безусловно, квантовая криптография — очень перспективная часть криптографии, ведь технологии, используемые там, позволяют вывести безопасность информации на высочайший уровень. Осталось немного подождать, и уже очень скоро квантовая криптография обеспечит ещё один слой безопасности для нуждающихся в этом организаций.