Если вас заботит конфиденциальность личных данных, у нас плохая новость: с появлением квантовых компьютеров большинство существующих протоколов шифрования станут совершенно бесполезны.
Случиться это может уже в обозримой перспективе, и тогда защиту нашей информации смогут обеспечить лишь новые средства квантовой криптографии.
Каждому есть что скрывать.
Один озабочен конфиденциальностью семейных фотографий, другой — тайной личной переписки, и уж, конечно, для всех важна безопасность деловых переговоров, финансовых транзакций, документов.
- Поэтому сегодня практически все данные для передачи шифруются, и посторонним не так просто получить доступ к ним.
Информация кодируется ключом, без которого так и останется для злоумышленника бессмысленным набором символов. Но для того, чтобы сообщение мог прочесть законный получатель, такой же ключ должен получить и он.
Тут-то и начинаются проблемы.
«Цифровой океан» поговорил с разработчиками Российского квантового центра о том, как мы будем передавать друг другу ключи в ближайшем будущем.
ОДНОСТОРОННИЙ ПОДХОД
- В простейшем варианте секретный ключ можно записать на физический носитель и отправить с доверенным курьером или фельдъегерем.
Так порой и поступают с информацией, которая нуждается в максимальном уровне защиты, — например, с военными или дипломатическими сводками.
Однако на всех желающих никаких фельдъегерей не хватит. И на деле ключи обычно пересылают через публичные, открытые каналы связи. Впрочем, в РКЦ нас заверили, что современные криптографические приемы делают эту задачу вполне безопасной.
Возьмем, например, и умножим восемь на девять: вычислить результат этой операции не составит никакого труда. Но вот обратное действие — разложение на множители (факторизация) — требует куда больших усилий.
«Такие односторонние математические функции можно сравнить с соединением красок: смешиваются они легко, а разделить их обратно практически невозможно.
Выполнять ту же факторизацию приходится банальным перебором, причем с удлинением ключа необходимые для этого вычислительные мощности растут в геометрической прогрессии», — объяснил нам разработчик систем квантовой криптографии из РКЦ Вадим Родимин.
Односторонние функции позволяют надежно закодировать ключ и без лишних опасений передать его по открытому каналу связи.
«Математика дает уверенность в том, что у всех злоумышленников мира не хватит машинного времени на то, чтобы перебрать все возможные варианты», — говорит Вадим.
Недаром такое «асимметричное» шифрование используется в самых распространенных сегодня криптографических стандартах: RSA, DSS, ГОСТ 34.10–2018 и т.п.
Благодаря им наши данные остаются в безопасности. По крайней мере, пока.
ИНФОРМАЦИОННАЯ БОМБА
Несмотря на свою почтенную древность, математика продолжает быстро развиваться, обнаруживая весьма хитроумные алгоритмы, лазейки для упрощенного «взлома» односторонних функций.
- Параллельно этому растут и доступные вычислительные мощности. Не далее как в июне 2020 года в Японии запустили новый рекордный суперкомпьютер Fugaku с пиковой производительностью более 500 петафлопс (500 триллионов операций в секунду).
Рано или поздно обе тенденции соединятся, и тогда расшифровка данных, закодированных с помощью односторонних функций, станет возможной.
Также большую тревогу вселяет стремительный прогресс в создании квантовых компьютеров, которые смогут применить уже существующие инструменты взлома.
- Например, предложенный еще в 1990-х алгоритм Шора позволяет проводить факторизацию почти так же быстро, как и умножение.
Современные квантовые компьютеры продемонстрировали его реализацию на небольших числах, и уже не за горами системы, способные использовать такие алгоритмы в полную силу.
«Квантовые компьютеры могут стать „информационной бомбой“, которая сметет защиту большинства привычных нам информационных сервисов», — продолжает Вадим Родимин.
Недаром спецслужбы разных стран старательно накапливают зашифрованные данные из Сети в своих хранилищах.
Американское Агентство национальной безопасности потратило порядка 1,5 млрд долларов на возведение в штате Юта колоссального дата-центра, способного накапливать порядка эксабайта (миллиона гигабайтов) данных. Когда-нибудь, если понадобится, все они могут быть декодированы.
- КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ МОГУТ СТАТЬ ИНФОРМАЦИОННОЙ БОМБОЙ, СМЕТАЮЩЕЙ ЗАЩИТУ ПРИВЫЧНЫХ НАМ СЕРВИСОВ
КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ
Однако существуют методы, позволяющие зашифровать сообщение еще надежнее. Например, можно сгенерировать ключ такой же длины, как и само сообщение, и «смешать» их бит за битом, так что декодировать результат будет невозможно в принципе, какими бы ни были наши вычислительные мощности.
«Невзламываемость таких алгоритмов доказана математически, — говорит Вадим. — Все, что требуется для их применения, — безопасно переслать ключ получателю. Именно тут в дело вступает квантовая криптография, позволяя создавать и распределять секретные последовательности-ключи между отправителем и получателем».
«Квантовая физика оперирует отдельными субатомными частицами, такими как фотоны, кванты света, — продолжает Вадим. — Как мы помним со школы, эти частицы одновременно проявляют и свойства волны.
Например, ему может соответствовать волна, колеблющаяся в определенной плоскости, которую называют плоскостью поляризации.
Это позволяет использовать их для кодирования информации: мы можем договориться, что горизонтально поляризованная частица будет означать 0, а вертикально — 1. Тогда отправителю останется переслать правильным образом поляризованные фотоны, а получателю — использовать светоделитель, чтобы их рассортировать. „Вертикальные“ пройдут дальше, „горизонтальные“ отразятся в сторону».
Однако если фотон будет иметь неожиданную поляризацию, например диагональную, то результаты его измерений в той же вертикально-горизонтальной плоскости окажутся непредсказуемы. Они случайным образом укажут на вертикальную или горизонтальную поляризацию, а данные об исходном состоянии частицы будут утеряны.
- Еще в 1970 году Стивену Визнеру пришла в голову мысль, что это можно использовать для создания совершенного протокола шифрования. В 1984 году Чарльз Беннет и Жиль Брассар из IBM впервые реализовали его идеи на практике.
АБСОЛЮТНАЯ ЗАЩИТА
«Идея в том, что отправитель должен пересылать фотоны, выбирая базовую плоскость (базис) для поляризации каждого из них случайно: либо прямую, либо диагональную, — объясняет Вадим. — Получатель измеряет эти частицы, тоже исходя из случайно заданных базисов.
Если их выбор совпал, то поляризация будет установлена правильно, а если нет, то измерения дадут случайный результат».
Чтобы удостовериться, какие из измерений верны, отправитель и получатель обмениваются списками использованных базисов и сравнивают их.
Измерения с несовпадающими базисами можно отбросить, получив «просеянный» ключ: случайную и одинаковую у обоих последовательность.
«Заметьте, что сам по себе этот ключ по каналу связи не передается: пересылаются лишь фотоны, а затем информация о базисах», — подчеркивает Вадим Родимин.
Ну а если неизвестный злоумышленник сумеет вклиниться в линию связи, его вмешательство быстро будет замечено. Ведь для этого взломщику придется перехватывать фотоны, измерять их поляризацию и отправлять новые частицы получателю. Не зная базисов, использованных отправителем, он будет регистрировать случайный результат примерно в половине случаев и отправит такие же «неправильные» фотоны дальше.
Это и позволит заметить его вмешательство: получателю и отправителю достаточно выбрать небольшие фрагменты уже «просеянного» ключа и сверить их друг с другом.
Если взломщик перехватывал частицы и внес дополнительные ошибки, эти фрагменты не совпадут, несмотря на одинаковые базисы измерений.
Невозможность незаметного перехвата делает квантовые линии связи почти абсолютно безопасными.
КВАНТОВЫЙ ПРАКТИКУМ
Пока что лидерами в реализации сетей связи с квантовым распределением ключей выступают США, Швейцария и, конечно, Китай, где действует самая протяженная из таких линий: более 2000 км от Пекина до Шанхая.
Экспериментальные сети создаются и в России.
- Например, команда QRate уже реализовала опытные проекты квантовой связи для «Газпромбанка» и «Сбербанка». Также готовится запуск в интересах «Ростелекома», который планирует связать защищенной линией некоторые из своих дата-центров.
Вопреки ожиданиям, внешне квантовые криптографические системы мало отличаются от привычных компьютеров. И передатчик, готовящий фотоны, и измеряющий их приемник выглядят как небольшие черные коробки, установленные в стандартный системный блок.
Поэтому со стороны системы квантовой криптографии, которые мы увидели в РКЦ, кажутся обыкновенными компьютерами, разве что с парой дополнительных блоков и нитками оптоволокна, по которым происходит пересылка фотонов.
Впрочем, даже в самом качественном волокне неизбежны потери отдельных частиц. Это ограничивает дальность пересылки фотонов расстоянием примерно в сотню километров. Поэтому линия между Пекином и Шанхаем представляет собой длинный пунктир из нескольких десятков «доверенных узлов», которые обмениваются квантовыми ключами друг с другом как промежуточные отправители и получатели.
По счастью, эти проблемы вполне преодолимы, ведь фотоны пересылать можно не только по оптоволокну, но и «без проводов», лазерным лучом.
ВЫХОД В КОСМОС
В плотном воздухе лазерный луч быстро рассеивается, позволяя работать на дистанциях лишь около 10 км. Однако в верхних, намного более разреженных слоях атмосферы лазер может без критических потерь отправлять фотоны на сотни и даже тысячи километров.
Тем более в космосе: если на орбите будет действовать небольшая флотилия «квантовых» спутников, они могут выступать доверенными узлами защищенной сети для обмена ключами уже в планетарных масштабах. Создание такой сети — уже не фантастика.
- Запущенный в 2016 году китайский спутник Mozi сумел установить 7400-километровый квантовый канал связи между Пекином и Веной, а к 2030-му КНР и Европу должна связать постоянно действующая защищенная линия.
Оборудование для манипуляций с фотонами становится все дешевле и компактнее. В РКЦ уже ведут работу над тем, чтобы разместить необходимую аппаратуру на спутнике микрокласса — всего из шести модулей CubeSat размером 10 × 10 × 10 см каждый.
Когда-нибудь такие устройства обеспечат защищенной связью всех желающих. Было бы что скрывать.
___________________________
Наш онлайн-портал ➡️ digitalocean.ru
СОЦСЕТИ:
▪️ Instagram: instagram.com/digital.oc
▪️ Facebook: facebook.com/digitalocean.magazine
▪️ Twitter: twitter.com/digitalocean_ru
▪️ Вконтакте: vk.com/digitalocean_ru
▪️ Яндекс.Дзен: bit.ly/digitalocean_magazine