Kolejne pole bitwy w wojnie z hakerem kwantowym

Hakowanie kwantowe to najnowszy strach w świecie bezpieczeństwa informacji. Nie tak dawno temu fizycy twierdzili, że mogą przesyłać informacje z doskonałym bezpieczeństwem przy użyciu techniki znanej jako dystrybucja klucza kwantowego.

Wykorzystuje prawa mechaniki kwantowej, aby zagwarantować doskonale bezpieczną komunikację. Otrzymujesz doskonale bezpieczną komunikację, przynajmniej w teorii.

Kłopot polega na tym, że w praktyce sprzęt używany do przeprowadzania dystrybucji kluczy kwantowych ma szereg słabości, które podsłuchujący może wykorzystać w celu uzyskania informacji o wysyłanych wiadomościach. Różne grupy wykazały, że hakowanie kwantowe stanowi realne zagrożenie dla doskonale bezpiecznej komunikacji.

Tak więc w grze w kotka i myszkę o bezpieczeństwo informacji fizycy walczą, projektując sprzęt, który jest bezpieczniejszy. Dzisiaj Nitin Jain z Instytutu Nauki o Świetle im. Maxa Plancka w Erlangen w Niemczech wraz z kilkoma kumplami pokazuje, jak zmiany wciąż narażają sprzęt na ataki, ale jednocześnie ujawniają, jak można stworzyć następną generację kryptografii kwantowej lepszy.

W dystrybucji kluczy kwantowych Alicja wysyła do Boba informacje zakodowane w polaryzacji pojedynczych fotonów. Może więc wysłać sekwencję zer i jedynek jako serię fotonów spolaryzowanych poziomo i pionowo. Bob może następnie użyć tych informacji jako klucza do jednorazowego tabletu do wysyłania informacji z doskonałym bezpieczeństwem. Stąd nazwa dystrybucja klucza kwantowego.

Podsłuchiwacz, Eve, może zobaczyć informacje wysyłane przez Alicję tylko wtedy, gdy zna kierunki odpowiadające pionowi i poziomowi. Fizycy nazywają to podstawą systemu.

Bez znajomości bazy informacje, które niosą fotony, będą wydawać się przypadkowe. Tak więc kluczowa część bezpieczeństwa dystrybucji klucza kwantowego pochodzi z utrzymywania tajemnicy bazy Alicji.

Nieco ponad 10 lat temu hakerzy znaleźli sposób, aby Eve odkryła bazę Alice. Wszystko, co musi zrobić Ewa, to skierować światło na sprzęt Alicji i zmierzyć polaryzację odbitych fotonów. Będą one odbijały się od elementów optycznych, które określają podstawę Alicji, a więc będą spolaryzowane w ten sam sposób. To daje Ewie kluczowe informacje, których potrzebuje, aby odszyfrować transmisje, a Alice nie jest mądrzejsza.

Różne zespoły pokazały, jak to podejście może włamać się do dostępnych na rynku urządzeń do kryptografii kwantowej, ujawniając, że twierdzenie o doskonałym bezpieczeństwie jest nieco przesadzone.

Ale fizycy walczyli. Jednym ze sposobów powstrzymania tego rodzaju ataków jest włączenie urządzenia zwanego izolatorem, które pozwala światłu podróżować w jednym kierunku, ale nie w drugim. Więc Alice może przesyłać swoje fotony ze sprzętu, ale Ewa nie może wysyłać do niego fotonów.

Praca, którą wykonali Jain i spółka, aby zbadać właściwości optyczne tych urządzeń, aby zobaczyć, jak są bezpieczne. Ci faceci przetestowali właściwości optyczne szeregu komponentów używanych w dystrybucji kluczy kwantowych, w tym izolatorów.

Testy były proste. Wysyłają pewną liczbę fotonów w kierunku urządzenia i mierzą liczbę, które przechodzą. Ale co najważniejsze, zrobili to przy wielu różnych długościach fal od 1000 do 1700 nanometrów.

Wyniki są odkrywcze. Transmisja telekomunikacyjna wykorzystuje fale o długości około 1550 nanometrów. Izolatory Jain i spółka dobrze zmierzyli pracę na tej długości fali.

Ale te urządzenia nie są tak dobre na innych długościach fal. Mówią, że nawet wysokowydajne izolatory nie mają wysokiej izolacji w innych obszarach długości fal, takich jak od 1300 do 1400 nanometrów, gdzie Eve może z łatwością uzyskać oba źródła laserowe.

Innymi słowy, Ewa wciąż może odkrywać bazę Alicji za pomocą laserów o innym kolorze.

Będzie to niepokojące odkrycie dla organizacji, które teraz używają dystrybucji kluczy kwantowych do ochrony swoich danych, nie wspominając o firmach, które sprzedają komercyjny sprzęt do dystrybucji kluczy kwantowych.

Ale nie wszystko stracone, mówią Jain i spółka. Istnieje jeszcze więcej środków zaradczych, które mogą chronić dystrybucję klucza kwantowego przed atakami Eve na innych długościach fal. Zamiast używać pasywnego urządzenia, takiego jak izolator, Alice może użyć aktywnego urządzenia, które mierzy nadchodzące fotony w nadziei, że zauważy Eve w akcji. Jeśli Alice zawiera detektor monitorujący oprócz izolatora, dla Ewy byłoby dość trudne jednoczesne obejście obu tych środków zaradczych, powiedzmy Jain i spółka.

Teoretycy też mogą w tym pomóc. Prawa mechaniki kwantowej gwarantują tajność wiadomości pod warunkiem, że ilość informacji, która wycieka, jest poniżej pewnego progu, określonego przez konkretne szczegóły używanego protokołu.

W tego rodzaju atakach Ewa zdobywa tylko pewną ilość informacji o tajnym kluczu. Jeśli osiągnie więcej niż ten próg, może zacząć odszyfrowywać wszystkie zaszyfrowane nim tajne wiadomości.

Teoretycy mogą w tym pomóc, określając, ile informacji Ewa może uzyskać ze swoich ataków i odpowiednio podnosząc próg. Zwiększa to bezpieczeństwo systemu, ale także znacznie spowalnia przesyłanie danych.

To ciekawa praca. Specjaliści ds. bezpieczeństwa informacji zawsze toczyli wojnę w kotka i myszkę z napastnikami. Przez krótki czas ci specjaliści mieli nadzieję, że dystrybucja klucza kwantowego będzie najlepszą bronią, która doprowadzi do zakończenia tej wojny. Ta nadzieja wydaje się teraz nieco przedwczesna.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1408.0492 : Analiza ryzyka ataków koni trojańskich na praktyczne systemy dystrybucji kluczy kwantowych

ukryć