Jest nowy sposób na złamanie kryptografii kwantowej

470906 | Unsplash

Wielką obietnicą komunikacji kwantowej jest doskonała prywatność: możliwość przesyłania wiadomości z jednego punktu we wszechświecie do drugiego w taki sposób, że same prawa fizyki uniemożliwiają podsłuchiwaczowi podsłuchiwanie.

Dla hakerów tego rodzaju obietnica jest jak czerwona flaga dla byka. Odkąd na początku XXI wieku pojawiły się pierwsze komercyjne systemy kryptografii kwantowej, ludzie wielokrotnie próbowali je zniszczyć — ze znaczącym sukcesem. Ataki bezwzględnie wykorzystywały niedoskonałości sprzętu służącego do przesyłania informacji kwantowych. W ten sposób hakerzy pokazali, że nawet jeśli prawa fizyki zapewniają doskonałe bezpieczeństwo, sprzęt nigdy nie będzie doskonały. A te niedoskonałości tworzą luki, które można wykorzystać.

Fizycy kwantowi zostali zmuszeni do szybkiej reakcji, opracowując nowe protokoły, które nie zależą od sprzętu. Tak zwana kryptografia kwantowa niezależna od urządzenia zapewnia doskonałe bezpieczeństwo, nawet jeśli sprzęt nie jest doskonały. Przynajmniej w teorii.

Ale przerażająca prawda o wdrażaniu kryptografii kwantowej jest taka, że ​​zawsze można znaleźć kogoś, kto przeoczył coś ważnego. A to przeoczenie umożliwi włamanie.

Dzisiaj Xiao-Ling Pang i współpracownicy z Uniwersytetu Jiao Tong w Chinach twierdzą, że znaleźli jeden z tych przeoczonych czynników. Dzięki temu odkryciu zespołowi udało się zhakować kryptografię kwantową niezależną od urządzeń z przerażająco wysokim wskaźnikiem sukcesu.

Najpierw trochę tła. Większość systemów szyfrowania kwantowego koduje informacje za pomocą fotonów. Alicja wysyła fotony do Boba, który mierzy je, aby ujawnić informacje.

Proces ten opiera się na fakcie, że pomiar właściwości kwantowych fotonu zawsze zmienia przenoszone przez niego informacje. Więc jeśli ktoś podsłuchuje, Alice i Bob mogą zauważyć obecność Ewy dzięki zmianom, które wprowadza do oryginalnej wiadomości. Jeśli znajdą dowody na podsłuchiwanie, zaczynają od nowa. Rzeczywiście, wysyłają ponownie dane, dopóki nie będą mieć pewności, że nikt ich nie usłyszał.

Oczywiście Alicja nie może użyć tej techniki do wysłania prywatnej wiadomości, ponieważ możliwe jest wykrycie Ewy dopiero po tym, jak podsłucha się. do zaszyfrowania wiadomości i wysłania jej klasycznym kanałem. Jednorazowy pad jest bezpieczny, pod warunkiem, że nikt inny nie zna klucza.

Różni badacze cyberbezpieczeństwa znaleźli sposoby na zhakowanie tego rodzaju systemu. Wadą, którą wykorzystali, jest to, że dane są często zakodowane w polaryzacji fotonu: foton o polaryzacji pionowej może kodować jeden i polaryzacji poziomej a 0 .

Jednym ze sposobów jest skierowanie lasera o dużej mocy na sprzęt, tak aby odbijał się od polaryzatorów znajdujących się w środku. Odbicia ujawniają orientację wykorzystywaną do polaryzacji i kodowania wychodzących fotonów. I to ujawnia kod. Aby temu przeciwdziałać, fizycy opracowali sposoby zapobiegania tym odbiciom.

Wchodzi Pang i współpracownicy, którzy twierdzą, że znaleźli zupełnie nowy sposób na atakowanie komunikacji kwantowej, która nie opiera się na odbiciach. Nowa technika opiera się zamiast tego na efekcie zwanym blokowaniem wtrysku. Jest to metoda zmiany częstotliwości lasera poprzez wstrzykiwanie do wnęki laserowej fotonów o różnej częstotliwości zarodka. Zakładając, że różnica częstotliwości jest niewielka, laser ostatecznie rezonuje z częstotliwością ziarna.

Pang i co wstrzykują fotony do lasera Alicji, aby zmieniły częstotliwość wyjściową. Ale to działa tylko wtedy, gdy fotony Panga mogą przejść przez polaryzator do wnęki laserowej. Aby zapewnić, że tak się stanie, Pang i spółka wstrzykują cztery fotony, każdy o innej orientacji — poziomej, pionowej i plus minus 45 stopni. Następnie czekają, aby zobaczyć, czy zmienia to częstotliwość wychodzącego fotonu Alicji. Jeśli częstotliwość jest zmieniona, polaryzacja przychodzącego fotonu musiała być zgodna z polaryzacją wychodzącą.

A to ujawnia kod bez pomiaru polaryzacji wychodzącego fotonu. Pang i co następnie zmieniają częstotliwość tego fotonu z powrotem na zamierzoną częstotliwość i wysyłają go do Boba, który wcale nie jest mądrzejszy.

Voila! Hack, który ujawnia informacje kwantowe Ewie bez wiedzy Alice lub Boba.

Pang i spółka twierdzą, że przetestowali to podejście z niezwykłymi wynikami. Pokazujemy, że Ewa może kontrolować źródło Alice, wymuszając rezonans jej lasera z zaprojektowaną częstotliwością, mówią. Uzyskujemy skuteczność hakowania sięgającą 60,0%.

To interesująca praca, która przedstawia kolejny krok w grze w kotka i myszkę polegającą na hakowaniu kwantowym.

Oczywiście następnym krokiem jest znalezienie sposobów na zapobieganie blokowaniu wtrysku, a Pang i spółka podjęli pierwsze próby. Mówią, że oczywistym środkiem zaradczym jest użycie urządzeń znanych jako izolatory, które pozwalają fotonom podróżować w jednym kierunku, ale nie w drugim.

Jednak te urządzenia w żadnym wypadku nie są doskonałe. Zwykle pozwalają fotonom podróżować w jednym kierunku, ale jedynie zmniejszają liczbę, która może podróżować w drugim.

Pang i spółka zawierają w swojej konfiguracji izolatory, które redukują transmisję niechcianych fotonów nawet o 3 decybele. Zmniejsza to wskaźnik powodzenia włamań do 36%, co opisują jako wciąż wysoki poziom wycieku informacji.

Oczywiście nietrudno wymyślić inne sposoby na zmniejszenie skuteczności tego rodzaju ataku. Ale jest tu większa wiadomość: że wady kryptografii kwantowej niezależnej od urządzeń wciąż wychodzą na światło dzienne. Głównym przesłaniem, które chcielibyśmy tutaj przekazać, jest to, że może istnieć wiele innych fizycznych luk, powiedzmy Pang i spółka.

To ważna wiadomość. Różne firmy oferują teraz komercyjne usługi kryptografii kwantowej z obietnicą prywatności wykraczającej poza te, które można osiągnąć w klasycznych systemach. Taka praca prawdopodobnie zapewni im i ich klientom bezsenne noce.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1902.10423 : Hakowanie dystrybucji kluczy kwantowych przez blokowanie wtrysku

ukryć