Квантовая криптография: Взлом бесполезен

Международная команда ученых успешно реализовала передовую форму квантовой криптографии. Более того, шифрование не зависит от используемого квантового устройства, что делает его еще более надежным против попыток взлома.

Защита информации в квантовую эру

• Интернет полон высокочувствительной информации. Современные методы шифрования обычно гарантируют, что такие данные не могут быть перехвачены и прочитаны. Однако в будущем высокопроизводительные квантовые компьютеры смогут взламывать эти ключи за считанные секунды. Поэтому квантово-механические методы не только позволяют создавать новые, гораздо более быстрые алгоритмы, но и чрезвычайно эффективную криптографию.

Распределение квантовых ключей: новая эпоха

• Распределение квантовых ключей (QKD) обеспечивает безопасность от атак на коммуникационный канал, но не защищает от атак на сами устройства. Устройства могут выдавать ключ, который производитель мог сохранить и передать хакеру. С помощью независимого от устройства распределения квантовых ключей (DIQKD) ситуация меняется. Криптографический протокол становится независимым от используемого устройства. Теоретически известный с 1990-х годов, этот метод был впервые экспериментально реализован международной исследовательской группой под руководством физика LMU Гаральда Вайнфуртера и Чарльза Лима из Национального университета Сингапура (NUS).

Эксперимент на базе квантовой запутанности

• Для обмена квантовыми ключами доступны разные подходы: либо передаются световые сигналы, либо используются запутанные квантовые системы. В настоящем эксперименте физики использовали два квантово-запутанных атома рубидия, расположенных в двух лабораториях на расстоянии 400 метров друг от друга на кампусе LMU. Эти локации соединены оптоволоконным кабелем длиной 700 метров, который проходит под площадью Гешвистер Шолль перед главным зданием.
• Чтобы создать запутанность, сначала ученые возбуждают каждый из атомов лазерным импульсом. Затем атомы спонтанно возвращаются в свое основное состояние, излучая при этом фотон. В результате сохранения углового момента спин атома запутывается с поляризацией его излученного фотона. Два световых кванта проходят по оптоволоконному кабелю к приемной станции, где совместное измерение фотонов указывает на запутанность атомных квантовых памяти.

Создание секретного ключа

• Для обмена ключом Алиса и Боб — как обычно называют стороны в криптографии — измеряют квантовые состояния своих атомов. Это делается случайным образом в двух или четырех направлениях. Если направления совпадают, результаты измерений идентичны благодаря запутанности и могут быть использованы для создания секретного ключа. С помощью других результатов измерений можно оценить так называемое неравенство Белла. Физик Джон Стюарт Белл разработал эти неравенства для проверки, можно ли описать природу с помощью скрытых переменных. «Оказалось, что нельзя», — говорит Вайнфуртер. В DIQKD тест используется для проверки отсутствия манипуляций на устройствах, например, чтобы скрытые результаты измерений не были сохранены заранее.

Преимущества нового протокола

• В отличие от предыдущих подходов, реализованный протокол, разработанный исследователями из NUS, использует две настройки измерений для создания ключа вместо одной. «Введение дополнительной настройки делает перехват информации более сложным, что позволяет протоколу терпеть больше шумов и генерировать секретные ключи даже для низкокачественных запутанных состояний», — объясняет Чарльз Лим.
• С традиционными методами QKD безопасность гарантируется только тогда, когда квантовые устройства достаточно хорошо охарактеризованы. «Таким образом, пользователи таких протоколов должны полагаться на спецификации, предоставленные поставщиками QKD, и доверять, что устройство не перейдет в другой режим работы во время распределения ключей», — поясняет Тим ван Леент, один из ведущих авторов статьи наряду с Вей Чжаном и Каем Редекером. Уже более десятилетия известно, что старые устройства QKD могли быть легко взломаны извне, добавляет ван Леент.
• «С нашим методом мы можем генерировать секретные ключи с нехарактеризованными и потенциально ненадежными устройствами», — подчеркивает Вайнфуртер. Он признается, что первоначально сомневался в успешности эксперимента. Но его команда доказала, что опасения были напрасными, и значительно улучшила качество эксперимента. Наряду с кооперационным проектом между LMU и NUS, другая исследовательская группа из Оксфордского университета также продемонстрировала независимое от устройства распределение ключей, используя систему из двух запутанных ионов в одной лаборатории. «Эти два проекта закладывают основу для будущих квантовых сетей, в которых абсолютно безопасная связь возможна между удаленными точками», — говорит Чарльз Лим.

Взгляд в будущее

• Одной из следующих целей является расширение системы для включения нескольких пар запутанных атомов. «Это позволит создавать гораздо больше запутанных состояний, что увеличит скорость передачи данных и в конечном итоге повысит безопасность ключа», — говорит ван Леент. Кроме того, исследователи хотят увеличить дальность действия. В текущей установке она была ограничена потерей около половины фотонов в волокне между лабораториями. В других экспериментах ученые смогли преобразовать длину волны фотонов в область с низкими потерями, подходящую для телекоммуникаций. Таким образом, несмотря на небольшой дополнительный шум, им удалось увеличить дальность квантовой сетевой связи до 33 километров.

Заключение

Реализация независимой от устройства квантовой криптографии открывает новые горизонты в области защиты данных. Она обеспечивает более высокий уровень безопасности и устойчивость к потенциальным угрозам взлома. Будущие исследования и разработки в этой области обещают еще большие достижения, которые сделают коммуникацию более защищенной и надежной.

Подробнее о данной теме можно прочитать на ScienceDaily