Мир за последние лет десять изменился кардинально. Зайдите в автобус или кафе и вы увидите, что большинство людей “находятся (коммуницируют) в телефоне”. Любую деятельность как мелких, так и крупных компаний сопровождает вал цифровой информации. И ведь мы хотим, чтобы передаваемая нами информация не попадала к злоумышленникам. Такую безопасную передачу информации обеспечивают квантовые коммуникации. Они только-только выходят на рынок. Специалист по квантовым технологиям будет нарасхват у компаний любого уровня.
Выше приведены слова профессора, доктора физико-математических наук и руководителя образовательной программы "Фотоника и оптоинформатика" в Университете ИТМО Сергея Аркадьевича Козлова.
Квантовые коммуникации являются важной и актуальной технологией как в России, так и во всем мире. Эта область активно развивается из-за растущей потребности в повышенной безопасности данных, а также угроз, связанных с развитием в будущем квантовых компьютеров, способных в считанные доли секунд взломать существующие алгоритмы шифрования данных.
Одной из главных технологий квантовых коммуникаций по праву считают алгоритм квантового распределения ключей (с английского Quantum Key Distribution). Речь идёт про технологию, которая использует принципы квантовой механики для безопасного обмена криптографическими ключами (ключами для шифрования данных) между двумя сторонами. Основная идея заключается в том, что любые попытки перехвата секретного ключа на этапе его передачи изменяют состояние квантовой системы, что позволяет обнаружить взлом.
Для наглядности рассмотрим процесс квантового распределения ключей на примере протокола BB84 - одного из первых и наиболее известных протоколов, предложенного Чарльзом Беннеттом и Жилем Брассаром в 1984 году.
Алгоритм BB84
При работе с системой квантового распределения ключей отправитель и получатель работают с единичными фотонами, один или несколько параметров которых кодируются (им присвоены битовые значения 0 и 1) для формирования секретного ключа, которым будет шифроваться информация. Так, например, в качестве переменной для кодирования может быть использована поляризация или фаза фотона. Ниже приведен поэтапный план работы алгоритма BB84 на основе поляризационного кодирования:
1. Подготовка и отправка квантовых битов (кубитов): Алиса (отправитель) готовит последовательность кубитов, используя четыре возможных состояния:
- Два ортогональных состояния: |0⟩ и |1⟩ - фотон с горизонтальной и вертикальной поляризацией, соответственно. Это базис X.
- Два других ортогональных состояния: |+⟩ и |-⟩ (в другом базисе), где |+⟩ = (|0⟩ + |1⟩)/√2 и |-⟩ = (|0⟩ - |1⟩)/√2 - фотон с поляризацией под углом +45 и -45 градусов по направлению к горизонту, соответственно. Это базис Z.
Алиса случайным образом выбирает один из двух базисов (Z или X) и случайное состояние в выбранном базисе для каждого кубита.
2. Передача кубитов: Алиса отправляет кубиты по квантовому каналу Бобу (получателю).
3. Измерение кубитов Бобом: Получатель случайным образом выбирает базис (Z или X) для измерения каждого полученного кубита. Он измеряет каждый кубит в выбранном базисе, получая последовательность битов.
4. Обмен информацией о базисах: После измерения всех кубитов, Алиса и Боб обмениваются информацией о том, какие базисы они использовали (но не сами измеренные значения), через классический (неквантовый) канал, который может быть перехвачен, но без ущерба для безопасности.
5. Выбор согласованных базисов: Алиса и Боб оставляют только те биты, для которых они использовали одинаковые базисы. Эти биты образуют "сырую" ключевую последовательность.
6. Обнаружение перехвата: Чтобы обнаружить присутствие перехватчика (Евы), Алиса и Боб проверяют часть "сырой" ключевой последовательности, сравнивая значения некоторых битов через классический канал.
Если число ошибок превышает допустимый порог, они предполагают наличие перехватчика и отбрасывают всю последовательность. В противном случае продолжают.
7. Коррекция ошибок и усиление конфиденциальности: Алиса и Боб проводят процедуры коррекции ошибок для устранения расхождений в "сырой" ключевой последовательности.
Затем они выполняют усиление конфиденциальности, чтобы уменьшить информацию, которую мог бы узнать перехватчик, и получить окончательный секретный ключ.
Почему это вообще работает?
Данный алгоритм, как и другие алгоритмы квантового распределения ключей, базируется на законах квантовой механики, которые обеспечивают безопасность процесса передачи данных, а именно:
- Принцип суперпозиции
В квантовой механике частица, такая как фотон, может находиться в состоянии суперпозиции, то есть одновременно в нескольких состояниях. Например, до измерения фотон может находиться в состоянии |0⟩, |1⟩, или их суперпозиции α|0⟩ + β|1⟩.
Так, в протоколе BB84 кубиты могут быть закодированы в суперпозиции состояний, что позволяет передавать информацию с высокой степенью безопасности.
- Принцип неопределенности Гейзенберга
Принцип неопределенности утверждает, что невозможно одновременно точно измерить пару сопряженных параметров (например, координату и импульс) квантовой частицы. В контексте квантового распределения ключей это означает, что невозможно точно определить состояние кубита без его изменения.
Если перехватчик (Ева) пытается измерить состояние передаваемых кубитов, это неизбежно внесет ошибки, которые могут быть обнаружены легальными участниками (Алисой и Бобом).
- Принцип измерения в квантовой механике
Измерение квантовой системы в каком-то базисе коллапсирует ее состояние в одно из возможных состояний этого базиса. После измерения система уже не находится в исходной суперпозиции.
В протоколе BB84, если Ева измеряет кубиты, она нарушает их исходные состояния. Алиса и Боб могут сравнить часть ключей и обнаружить аномалии, указывающие на перехват.
- Теорема о невозможности клонирования
В квантовой механике невозможно создать точную копию неизвестного квантового состояния. Это фундаментальное свойство делает клонирование квантовых данных невозможным.
Если перехватчик пытается скопировать квантовый ключ, он не сможет создать точную копию всех кубитов, что приводит к ошибкам и обнаружению перехвата.
А нужно ли вообще использовать квантовые коммуникации?
Квантовое распределение ключей предоставляет значительные преимущества по сравнению со стандартными алгоритмами шифрования. Рассмотрим основные причины, по которым данный метод может быть предпочтительнее:
1. Безусловная безопасность
Фундаментальная основа безопасности: квантовое распределение ключей основывается на принципах квантовой механики, что делает её защищенной от любых вычислительных атак, включая атаки с использованием квантовых компьютеров. В отличие от традиционных криптографических методов, безопасность которых зависит от вычислительной сложности, описанный метод обеспечивает безопасность на физическом уровне.
2. Устойчивость к квантовым компьютерам
Стандартные алгоритмы шифрования, такие как RSA и ECC, могут быть легко взломаны будущими квантовыми компьютерами с использованием алгоритма Шора. Квантовое распределение ключей, в свою очередь, не подвержен таким угрозам, поскольку его безопасность не основана на сложности математических задач.
3. Обнаружение перехвата
Принцип неизмеримости без изменения: Любая попытка перехватить и измерить квантовые ключи изменяет их состояние, что позволяет обнаружить присутствие перехватчика и прекратить процесс отправки данных.
4. Долгосрочная безопасность
Данные, зашифрованные с использованием стандартных методов, могут быть записаны и расшифрованы в будущем с помощью более мощных компьютеров. Квантовое распределение ключей обеспечивает безопасность данных на долгосрочную перспективу, что особенно важно для информации, которая должна оставаться конфиденциальной в течение многих лет.
5. Симметричное шифрование и обновление ключей
Квантовое распределение ключей применяется для распределения симметричных ключей, которые могут быть использованы с высокоэффективными симметричными алгоритмами шифрования, такими как AES. Ключи могут регулярно обновляться, что дополнительно повышает уровень безопасности.
6. Интеграция с существующими системами
Квантовое распределение ключей может быть интегрировано в существующие криптографические системы, обеспечивая дополнительный уровень безопасности без необходимости полной замены текущей инфраструктуры.
7. Растущая доступность технологий
Современные достижения в области квантовых технологий делают данный метод все более доступным и экономически целесообразным решением для широкого круга организаций и отраслей.
Итоги
В заключение, можно сказать, что квантовое распределение ключей предлагает уникальные преимущества, обеспечивая высочайший уровень безопасности, который недостижим для традиционных криптографических методов. Это делает данный особенно актуальным в условиях развития квантовых вычислительных технологий и растущих угроз информационной безопасности.
Актуальность метода подтверждается спектром его применений, а именно:
- Финансовые транзакции: Банки и финансовые учреждения используют квантовые коммуникации для защиты межбанковских транзакций и данных клиентов.
- Правительственные коммуникации: Квантовое распределение ключей применяется для защиты секретной информации в правительственных и военных структурах.
- Корпоративные сети: Крупные компании используют данный метод для защиты интеллектуальной собственности и корпоративных данных.
- Телекоммуникации: Операторы связи внедряют квантовые коммуникации для обеспечения безопасности сетевых коммуникаций.
