211service.com
Niezawodna kryptografia kwantowa
Naukowcy z firmy Toshiba w Cambridge w Wielkiej Brytanii znaleźli sposób na zatkanie luki w zabezpieczeniach, która obecnie ogranicza zakres i szybkość dystrybucji kluczy szyfrowania przy użyciu istniejących systemów kryptografii kwantowej. Zmiany mogą zwiększyć komercyjną atrakcyjność bezwarunkowo bezpiecznej dystrybucji kluczy kwantowych, mówi Andrew Shields, szef Grupa informacji kwantowych w firmie Toshiba Research Europe, która kierowała badaniami.
Niebezpieczeństwo w liczbach: Całkowite bezpieczeństwo szyfrowania kwantowego będzie wymagało użycia impulsów pojedynczych fotonów. Na zdjęciu nowa dioda elektroluminescencyjna zdolna do generowania takich impulsów.
Kryptografia kwantowa jest obecnie używana tylko do przesyłania kluczy szyfrowania między budynkami przez niektóre banki i departamenty rządowe. Ale systemy mogą zagwarantować bezpieczeństwo tylko na stosunkowo krótkich dystansach. Wyzwanie polega na rozszerzeniu zasięgu i zwiększeniu szybkości wysyłania kluczy, aby można było ich używać szerzej, mówi Shields.
Obecne komercyjne systemy kryptografii kwantowej są zaprojektowane tak, aby umożliwić dwóm stronom wymianę tajnych kluczy szyfrowania bez ryzyka ich przechwycenia. Odbywa się to poprzez kodowanie cyfrowych informacji kluczowych w impulsach światła wysyłanych przez standardowe światłowody.
Jedynki i zera tych cyfrowych kluczy są zakodowane w opóźnieniach czasowych między impulsami pojedynczych fotonów. Teoretycznie to, co sprawia, że jest to tak bezpieczne, polega na tym, że każda próba przechwycenia sygnału przez podsłuchującego będzie z konieczności wiązała się z usunięciem pojedynczych fotonów z sygnału – czynność, którą można wykryć.
W praktyce jednak tego rodzaju bezwarunkowe bezpieczeństwo można naprawdę zagwarantować tylko wtedy, gdy źródło światła emituje tylko pojedyncze fotony. Ponieważ tak nie jest w przypadku obecnego szyfrowania kwantowego, możliwe są ataki podsłuchowe. W jednej strategii podsłuchiwacz wysysa pojedyncze fotony; ten atak opiera się na fakcie, że niektóre impulsy będą składać się z więcej niż jednego fotonu, co oznacza, że nie zostaną pominięte.
Aby obejść ten problem, istniejące komercyjne systemy szyfrowania kwantowego wykorzystują sztuczki mające na celu zmniejszenie prawdopodobieństwa, że impulsy będą zawierać wiele fotonów. Na przykład systemy mogą ograniczać intensywność każdego impulsu i zmniejszać szybkość transmisji, z jaką są wysyłane. Jednak kompromis polega na tym, że im słabszy impuls, tym mniejszą odległość może przebyć, podczas gdy wolniejsza przepływność ograniczy prędkość, z jaką można rozprowadzać klucze, mówi Shields.
Rozwiązaniem firmy Toshiba jest uwzględnienie w sygnale tego, co Shields nazywa impulsami wabików. Impulsy te są losowo przeplatane w sygnale i są słabsze niż reszta sygnału. Oznacza to, że rzadko składają się z więcej niż jednego fotonu. Jeśli podsłuchujący spróbuje zablokować pojedyncze fotony, jednocześnie wysysając wiele fotonów z pozostałych impulsów, średnio więcej tych impulsów wabików zostanie zablokowanych niż reszta sygnału. Tak więc monitorując proporcję sygnałów do impulsów wabika, które przechodzą, możliwe jest wykrycie ataku.
Korzystanie z tego podejścia wabika pozwala na użycie silniejszych impulsów laserowych, co z kolei pozwala na zwiększenie przepływności, a tym samym na odległość, na którą można je wysłać, mówi Shields. Sygnały niewabika mogą osiągać około 43 bity na sekundę na dystansie około 25 kilometrów. Ale podejście wabika może osiągnąć 5,5 kilobitów na sekundę, co stanowi 100-krotny wzrost.
Już teraz można uzyskać bezwarunkowe bezpieczeństwo, ale wyzwaniem jest zrobienie tego na większe odległości, mówi Gregoire Ribordy , CEO i założyciel identyfikator kwantowy , szwajcarska firma, która w 2002 roku uruchomiła komercyjny system kryptografii kwantowej. Ten wabik pozwala zwiększyć zasięg lub szybkość transmisji na określoną odległość, mówi Ribordy.
Podejście wabika jest bardzo użyteczną obroną przed tego rodzaju atakiem na kryptografię kwantową, a kilka grup pracuje obecnie nad podobnymi podejściami, mówi Frank wong , z grupy nauk o informacji kwantowej na MIT. Ale problem z twierdzeniami o bezwarunkowym bezpieczeństwie polega na tym, że obecnie nie ma możliwości jego przetestowania, z wyjątkiem symulacji, mówi Wong.
Drugi postęp dokonany przez grupę ma bardziej długoterminowe znaczenie, mówi Shields. Jest to opracowanie diody elektroluminescencyjnej zdolnej do bardziej niezawodnego emitowania pojedynczych fotonów. W przypadku dystrybucji klucza kwantowego ideałem jest wysyłanie tylko pojedynczych fotonów, mówi. Jeśli można to zrobić niezawodnie, transmisja byłaby naprawdę odporna na wszelkie ataki, a techniki, takie jak impulsy wabika, byłyby zbędne.
Podejście Toshiby polega na stworzeniu szeregu kropek kwantowych, z których każda ma średnicę 45 nanometrów i jest w stanie emitować tylko pojedyncze fotony. Chociaż dioda elektroluminescencyjna wykonana przy użyciu tych kropek kwantowych nadal od czasu do czasu emituje więcej niż jeden foton, szanse na to są pięć razy mniejsze niż w przypadku użycia lasera. Istnieją inne sposoby wytwarzania pojedynczych fotonów, ale jedną z korzyści płynących z używania kropek kwantowych jest to, że można je łatwo zintegrować i kontrolować za pomocą elektroniki. Kontrola za pomocą napięcia, a nie lasera jest wielką zaletą, ponieważ urządzenia elektryczne są znacznie bardziej kompaktowe i wytrzymałe, mówi Shields.