Krok kwantowy w kryptografii

Do niedawna szyfrowanie kwantowe było ukrywane w wyspecjalizowanych laboratoriach.

Jednak jego zwolennicy twierdzą, że technologia – w której do kodowania danych wykorzystuje się pojedyncze cząstki światła lub fotony – jest teraz gotowa do przeskoku do świata rzeczywistego. W ostatnich miesiącach dwaj główni dostawcy produktów do szyfrowania kwantowego, id Quantique i MagiQ Technologies, wprowadzili produkty drugiej generacji, które ich zdaniem są prostsze w obsłudze – to znaczy przeznaczone dla administratorów sieci, a nie naukowców.

Tymczasem ta najnowocześniejsza technologia staje się nie tylko łatwiejsza w użyciu, ale także najnowsze osiągnięcia mogą odblokować dla niej szerszy zakres zastosowań, takich jak stosowanie jej na większe odległości, w ustawieniach bezprzewodowych i do zabezpieczania komunikacji satelitarnej. Japońscy giganci elektroniki NEC Corp. i Toshiba Research Europe Ltd. oraz wiodący amerykański deweloper technologii BBN Technologies ogłosili sukcesy w rozszerzeniu zakresu i długości generowania kluczy kwantowych, kodowaniu plików wideo i audio oraz przesyłaniu kluczy lub komunikacji za pośrednictwem powietrze i światłowód.

Z pewnością naukowcy przebyli długą drogę w ciągu dwóch dekad, odkąd wprowadzono ideę kryptografii kwantowej. Mimo to technologia pozostała w dużej mierze w fazie badawczo-rozwojowej, ponieważ badacze zmagali się z kilkoma wyzwaniami technicznymi. Przede wszystkim ograniczona została odległość, na jaką mogą przenosić klucze, oraz zdolność generowania pojedynczych fotonów.

W kryptografii kwantowej pojedyncze cząstki światła reprezentują jedynki i zera w binarnym kluczu szyfrującym. Aby zakodować rzeczywistą informację, fotony są spolaryzowane przez system nadawcy, czyli fale świetlne są zorganizowane w jedną płaszczyznę. Na drugim końcu odbiorca mierzy polaryzację, aby pobrać informacje.

Ponieważ same klucze kwantowe mogą być tak duże, jak dane, które są szyfrowane, użytkownicy mogą korzystać z nieprzeniknionych szyfrów, jak twierdzi Josh Kessler, analityk i menedżer produktu w TowerGroup z Bostonu. Takie szyfry są niezwykle bezpieczne, ponieważ klucz nigdy się nie powtarza i jest tak długi jak sama wiadomość, w przeciwieństwie do szyfrowania kluczem publicznym, gdzie klucz jest krótszy.

Siła kryptografii kwantowej wyrasta z jednej z kluczowych zasad mechaniki kwantowej: na poziomie atomowym każdy obserwowany obiekt również ulega zmianie. W rezultacie ktoś, kto próbuje ukraść dane zaszyfrowane kwantowo, mierząc fotony podczas ich podróży, zmienia klucz – czynność, którą mogą wykryć prawowici użytkownicy.

Przez prawie dwie dekady protokoły bezpieczeństwa opracowane przez Rivesta, Shamira i Adlemana (RSA) do szyfrowania klucza publicznego trzymały się mocno. Jednak niedawne naruszenia bezpieczeństwa w Bank of America Corp., Wachovia Corp. i LexisNexis – które naraziły na szwank dane finansowe i osobiste setek tysięcy konsumentów – ujawniły narastający problem kradzieży danych. Chociaż te skandale niekoniecznie były winą słabego szyfrowania lub dystrybucji kluczy, kładły większy nacisk na potrzebę lepszego bezpieczeństwa najbardziej wrażliwych danych firm.

Nic dziwnego, że w tej chwili docelowymi sektorami bezpieczeństwa kwantowego są firmy świadczące usługi finansowe, firmy telekomunikacyjne i agencje rządowe – organizacje, które zajmują się wysoce wrażliwymi informacjami, a także mają głębokie kieszenie, by zapłacić za lepszą ochronę.

Na kwietniowych targach Infosecurity Europe 2005 w Londynie potencjalni klienci mogli zapoznać się z najnowszymi osiągnięciami kryptografii kwantowej. Firma id Quantique z siedzibą w Genewie zaprezentowała swój nowy system szyfrowania „pod klucz”, który zapewnia bezpieczne połączenie między dwiema sieciami światłowodowymi Fast Ethernet, które mogą znajdować się w odległości do 100 kilometrów. Jej system, Vectis Link Encryptor, łączy dystrybucję kluczy kwantowych z zaawansowanymi standardami szyfrowania – klucze kwantowe są dystrybuowane w sposób bezpieczny i ciągły przez dedykowane łącze światłowodowe, a te z kolei są przekazywane w urządzeniu do zaawansowanego mechanizmu szyfrowania, który jest używane do szyfrowania i odszyfrowywania informacji.

Vectis jest wyposażony w wyświetlacz z panelem dotykowym, za pomocą którego użytkownicy mogą monitorować system oraz aplikację serwera sieci Web wyświetlającą informacje z dziennika systemu za pomocą protokołu Simple Network Management Protocol (SNMP v.3), który umożliwia administratorom sieci centralne monitorowanie i zarządzanie dowolnymi urządzeniami sprzętowymi do szyfrowania kwantowego w całej swojej sieci.

Zautomatyzowaliśmy całość, aby inżynier sieci mógł to zrobić, mówi Gregoire Ribordy, dyrektor generalny id Quantique, a nie tylko fizyk.

W marcu konkurencyjna firma MagiQ Technologies z Nowego Jorku przerobiła swoją Quantum Private Network po otrzymaniu opinii od klientów rządowych i korporacyjnych, którzy ją przetestowali. Najnowsza wersja zawiera teraz wysokowydajne procesory bezpieczeństwa i może działać w systemach operacyjnych Windows lub Linux.

Dyrektor generalny MagiQ Technologies, Bob Gelfond, przyznaje, że tak naprawdę niewiele się zmieniło po stronie kwantowej, ale sieć i podstawowa dystrybucja oraz inne elementy zostały poprawione, aby uczynić go bardziej użytecznym produktem, który można zintegrować z istniejącym systemem firmy.

Dzięki bardziej przyjaznemu dla biznesu interfejsowi, MagiQ jest w trakcie wycinania umów z producentami oryginalnego sprzętu (OEM), co skutkowałoby integracją ich produktów kryptografii kwantowej ze sprzętem głównych producentów już w 2006 roku.

Chociaż mali dostawcy, tacy jak MagiQ i id Quantique, już postawili roszczenie w tej dziedzinie, nie będą sami na długo. W maju Cambridge Research Laboratory firmy Toshiba w Wielkiej Brytanii zaprezentowało swoje najnowsze osiągnięcie: system kryptografii kwantowej, który może być używany do kodowania wideo i głosu w czasie rzeczywistym z prędkością do 100 klatek lub kluczy na sekundę. Jego twórcy są przekonani, że technologia umożliwi firmom i rządom praktyczne zabezpieczanie łączy wideo za pośrednictwem łącza światłowodowego.

Dr Andrew Shields, lider grupy zajmującej się badaniami i rozwojem kryptografii kwantowej w Toshiba Cambridge i kierownik projektu, uważa, że ​​system powinien pojawić się na rynku za kilka lat. Chociaż zaszyfrowane wideo jest nieco niespokojne ze względu na skończoną liczbę klatek na sekundę, mówi Shields, wygląda całkiem nieźle. Otrzymaliśmy bardzo dobrą reakcję. Ludzie byli dość zaskoczeni, ale zachwyceni, że te aplikacje są teraz prawdziwe.

W maju naukowcy z NEC Corp. ogłosili, że z pomocą Narodowego Instytutu Technologii Informacyjnych i Komunikacyjnych oraz Japońskiej Agencji Nauki i Technologii byli w stanie generować klucze kwantowe szybciej i przez dłuższy czas niż było to możliwe wcześniej. . Gigant informatyczny i sieciowy z siedzibą w Tokio był w stanie nieprzerwanie generować klucze ze średnią szybkością 13 kilobitów na sekundę (kb/s) w 16-kilometrowej komercyjnej sieci optycznej przez dwa tygodnie – taka wydajność, która ostatecznie może spowodować generowanie i dystrybucję kwantową klucze jeszcze łatwiejsze i bardziej bezproblemowe dla firm.

Kessler z TowerGroup mówi, że firma NEC zdobyła ostatnio wiele patentów związanych z systemami kwantowymi i oczekuje, że firma wyda produkt komercyjny w ciągu roku.

Kazuo Nakamura, starszy kierownik laboratoriów badań podstawowych i środowiskowych w NEC, uważa, że ​​prawie osiem lat poświęconych badań jego firmy nad kryptografią kwantową pomoże im przeskoczyć konkurencję, która już sprzedaje produkty.

Wierzymy, że nasze ciągłe wysiłki badawczo-rozwojowe dały NEC wyraźną przewagę technologiczną nad [MagiQ i id Quantique], mówi Nakamura. Zanim rynek zaakceptuje kryptografię kwantową, produkty muszą osiągnąć niższe koszty systemu, wyższą stabilność i jeszcze szybsze działanie na dłuższych dystansach.

Być może najbardziej obiecującym rozwojem kryptografii kwantowej jest jednak niedawne oświadczenie BBN z początku czerwca, że ​​wraz z brytyjskim partnerem QinetiQ Ltd. stworzył działającą bezprzewodową wersję sieci kryptografii kwantowej.

Chip Elliott, główny inżynier BBN z siedzibą w Cambridge w stanie Massachusetts, mówi, że stworzyli tak zwaną sieć kryptografii kwantowej w wolnej przestrzeni, która może wysyłać klucze kwantowe lub zaszyfrowaną komunikację około 15 mil za pomocą teleskopów ustawionych w rzędzie w każdym punkcie. bez światłowodu.

Stosując tę ​​samą technologię, firmy mogłyby przesyłać zaszyfrowaną kwantowo komunikację tam iz powrotem za pomocą satelity. Elliott mówi, że chociaż kryptografia kwantowa w wolnej przestrzeni nie jest tak daleko w rozwoju, jak odmiana przewodowa, systemy będą łatwiejsze i tańsze we wdrażaniu, ponieważ niezbędne komponenty są tańsze. Mówi, że do końca roku mogą być nawet dostępne produkty do szyfrowania w wolnej przestrzeni dla firm i rządów.

Ray Trygstad, zastępca dyrektora ds. technologii informatycznych w kampusie Rice w Illinois Institute of Technology w Wheaton w stanie Illinois, jest bardziej entuzjastycznie nastawiony do potencjału kryptografii kwantowej w wolnej przestrzeni niż systemów wykorzystujących światłowód. Ostatecznie postrzega wolną przestrzeń jako preferowany sposób zabezpieczania płatnej telewizji lub niejawnych rozmów telefonicznych, lub, w bliższej perspektywie, dla firm zapewniających prawdziwie bezpieczny bezprzewodowy dostęp do pracowników w ich kampusach korporacyjnych.

Trygstad mówi, że ponieważ bezpieczeństwo sieci bezprzewodowej jest tradycyjnie bardzo słabe, połączenie kryptografii kwantowej w wolnej przestrzeni z WiMax może przynieść więcej korzyści.

Wygląda na to, że kryptografia kwantowa przeniosła się z tablic naukowców do sal konferencyjnych szybciej, niż wielu bystrym obserwatorom wydawało się to możliwe.

Jednak wyzwania pozostają. Trygstad uważa, że ​​w ciągu najbliższych kilku lat tylko kilka wysokiej klasy firm finansowych i agencji rządowych będzie mogło używać szyfrowania kwantowego do zabezpieczania swoich najbardziej poufnych informacji, ponieważ koszt jest nadal stosunkowo wysoki – około 100 000 USD za dwa punkty połączenia. Wiele przedsiębiorstw może zdecydować się na wykorzystanie tych pieniędzy z budżetu na bezpieczeństwo w innych obszarach, które są bardziej zagrożone.

Jednak Kessler przekonuje w swoich badaniach, że w szczególności firmy świadczące usługi finansowe powinny rozważyć użycie kryptografii kwantowej, ponieważ obecnie w świecie matematycznym dokonują się przełomy, które mogą znacznie osłabić schematy szyfrowania oparte na obliczeniach, takie jak RSA. Jeden główny przykład: matematycy mogą być bliscy udowodnienia hipotezy Riemanna, która określa, ile liczb pierwszych istnieje poniżej pewnej wartości. Jeśli zostanie to udowodnione, argumentuje Kessler, osoba mogłaby ustalić czynniki stojące za schematem szyfrowania RSA w mniejszej liczbie obliczeń.

Odległość również nadal stanowi problem w przypadku kryptografii kwantowej. Ponieważ jego kluczy nie można zmierzyć ani manipulować po drodze, tradycyjne rodzaje wzmacniaków nie działają – więc większość systemów kwantowych może przekazywać dane tylko między dwoma urządzeniami szyfrującymi na odległość od 100 do 150 kilometrów.

Te ograniczenia odległości stale się poprawiają dzięki lepszemu generowaniu fotonów i światłowodów, a także lepszej ogólnej technologii transmisji, mówi Kessler, ale odległość pozostaje najbardziej ograniczającym elementem dystrybucji klucza kwantowego.

Niektórzy użytkownicy mogą rozwiązać ten problem, łącząc ze sobą systemy, więc zasadniczo informacje są odszyfrowywane i ponownie szyfrowane na każdym etapie. Ponadto Gelfond utrzymuje, że dla wielu jego klientów ograniczenie odległości nie stanowi problemu, ponieważ przesyłają i zabezpieczają informacje w obrębie sieci metra – między głównym biurem a zapasową witryną, która może być tylko kilka przecznic, lub podłogi, z dala.

Shields i Ribordy twierdzą, że wzmacniacze kwantowe są opracowywane, a Shields wierzy, że mogą one stać się rzeczywistością w ciągu pięciu lat. Podczas gdy większość firm czeka, aż koszty spadną, a wyzwania technologiczne zostaną rozwiązane, pierwsi producenci, tacy jak MagiQ, id Quantique i NEC, wciąż widzą szansę na rynku komercyjnym.

Niektóre organizacje rozumieją, że komunikacja najbardziej wrażliwych danych gwarantuje najwyższy możliwy poziom bezpieczeństwa, mówi Nakamura z NEC, i przeznaczają odpowiednie budżety, aby to zapewnić. Postrzegamy tego typu użytkowników zaawansowanych jako reprezentujących główny początkowy rynek kryptografii kwantowej.

Karen Epper Hoffman pisze o sprawach biznesowych i technologicznych ze swojego domu w Poulsbo w stanie Waszyngton.

ukryć