УДК 004.056.55

Основы квантовой криптографии

Джелкинбаева Амина Рашидовна – студентка кафедры комплексного обеспечения информационной безопасности Государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова

Тимошенко Валерия Викторовна – студентка кафедры комплексного обеспечения информационной безопасности Государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова

Аннотация: Актуальность квантовой криптографии обусловлена необходимостью обеспечения безопасности передачи информации в условиях цифрового мира. В статье рассматривается принцип работы квантовой криптографии и ее преимущества перед классическими методами защиты информации. В частности, описываются подходы к реализации квантового ключа, который является основным элементом квантовой криптосистемы. Также рассматриваются алгоритм квантовой криптографии, возможные уязвимости и способы их преодоления. Предлагаются перспективы развития и применения квантовой криптографии в будущем.

Ключевые слова: квантовая криптография, квантовое распределение ключей, классическая криптография, фотон, кубит, протокол ВВ84.

Введение

Квантовая криптография – подраздел криптографии, который использует принципы квантовой механики для обеспечения безопасности при передаче информации [1]. Традиционно криптографическая безопасность основывается на математике и учитывает разработанные ограниченные вычислительные мощности. Взлом криптографического кода потребовал бы разложения чрезвычайно больших чисел на два простых числа, обычно длиной более 100 цифр, что считалось невозможным за разумное время (менее миллиона лет), даже если бы все доступные сегодня компьютеры работали. Квантовая криптография, использующая фотоны и опирающаяся на законы квантовой физики вместо «чрезвычайно больших чисел», является передовым открытием, которое, кажется, гарантирует конфиденциальность даже при наличии подслушивающих устройств с неограниченными вычислительными возможностями [2].

Определение криптографии, квантовой криптографии

Классическая форма криптографии – процесс математического шифрования данных, когда их может прочитать только один человек, имеющий доступ к правильному ключу. Традиционная криптография имеет два разных типа распределения ключей: симметричный ключ и асимметричный ключ. Алгоритмы с симметричным ключом работают, используя один ключ для шифрования и дешифрования информации, тогда как асимметричная криптография использует два ключа – открытый ключ для шифрования сообщений и закрытый ключ для их декодирования.

В отличие от традиционной криптографии, основанной на математике, квантовая криптография полагается на физику и использует свойства квантовых частиц, таких как фотоны, для обмена ключами и защиты передачи данных от подслушивания или подделки. Фотоны представляют собой двоичные кубиты [3].

Фотоны используются для квантовой криптографии, потому что они обладают всеми необходимыми качествами: их работа хорошо изучена, и они являются носителями информации в оптоволоконных кабелях. Одним из самых известных примеров квантовой криптографии в настоящее время является квантовое распределение ключей (КРК), которое обеспечивает безопасный метод обмена ключами [4].

Алгоритм работы квантовой криптографии

Для обеспечения безопасности передачи информации, используется протокол BB84, разработанный Чарльзом Беннетом и Жильом Брассардом в 1984 году. Протокол включает использование случайно выбранных базисов для измерения состояний кубитов.

Процесс передачи информации в квантовой криптографии основан на двух основных принципах: невозможности измерения состояний квантовой системы без изменения этих состояний и невозможности создания копии квантовых состояний. Таким образом, при попытке перехвата и прослушивания информации, ее состояние изменяется, что может быть замечено.

Модель предполагает, что есть два человека по имени Алиса и Боб, которые хотят безопасно обменяться сообщениями. Алиса инициирует сообщение, посылая Бобу ключ. Под ключом подразумевается поток фотонов, движущихся в одном направлении. Каждый фотон представляет собой один бит данных – 0 или 1. Носителями информации в протоколе являются фотоны, поляризованные под углами 0°, 45°, 90°, 135°. С помощью измерения можно различить только 2 ортогональных состояния:

  • фотон поляризован вертикально или горизонтально (0° или 90°);
  • фотон поляризован диагонально (45° или 135°) [5].

Однако, в дополнение к их линейному перемещению, эти фотоны колеблются или вибрируют определенным образом.

Итак, прежде чем Алиса, отправитель, инициирует сообщение, фотоны проходят через поляризатор. Поляризатор – фильтр, который позволяет проходить через него определенным фотонам с теми же вибрациями и пропускает другие фотоны с измененным состоянием вибрации. Поляризованные состояния могут быть вертикальными (1 бит), горизонтальными (0 бит), по диагонали вправо (1 бит) или по диагонали влево (0 бит). Передача имеет одну из двух поляризаций, представляющих один бит, либо 0, либо 1, в любой схеме, которую она использует.

Теперь фотоны передвигаются по оптическому волокну от поляризатора к приемнику, Бобу. В этом процессе используется светоделитель, который считывает поляризацию каждого фотона. При получении фотонного ключа Боб не знает правильную поляризацию фотонов, поэтому случайным образом выбирается одна поляризация. Теперь Алиса сравнивает то, что Боб использовал для поляризации ключа, а затем сообщает Бобу, какой поляризатор она использовала для отправки каждого фотона. Затем Боб подтверждает, использовал ли он правильный поляризатор. Затем фотоны, считанные неправильным разделителем, отбрасываются, а оставшаяся последовательность считается ключом.

Предположим, присутствует злоумышленник – Ева. Ева пытается подслушать и имеет те же инструменты, что и Боб. Но у Боба есть преимущество: он может поговорить с Алисой, чтобы подтвердить, какой тип поляризатора использовался для каждого фотона; Ева не знает. В конечном итоге Ева неправильно отображает последний ключ.

Алиса и Боб также знали бы, подслушивала ли их Ева. Ева, наблюдающая за потоком фотонов, изменит положение фотонов, которое ожидают увидеть Алиса и Боб.

Одним из основных элементов квантовой криптографии является квантовый канал связи, который обеспечивает надежную передачу квантового состояния между двумя сторонами. Ключевой элемент квантового канала – фотон, которым передается квантовая информация.

Процесс передачи информации в квантовой криптографии основан на принципе измерений квантовых состояний, которые изменяются при попытке перехвата информации третьей стороной.

Квантовая криптография обеспечивает высокий уровень безопасности передачи информации, так как любая попытка перехвата будет обнаружена. Однако, квантовая криптография также имеет свои ограничения и требует специального оборудования для правильной работы.

Достоинства и недостатки квантового шифрования

Квантовая криптография предлагает несколько преимуществ по сравнению с традиционными криптографическими методами:

  • Обеспечивает безопасность, поскольку опирается на фундаментальные принципы квантовой механики, обеспечивающие безопасность. Это гарантирует, что ни один злоумышленник не сможет перехватить или изменить зашифрованные данные, не будучи обнаруженным.
  • Позволяет безопасно распространять ключи шифрования с помощью КРК, гарантирующее, безопасный обмен ключами и не может быть перехвачен третьей стороной. Это устраняет риск перехвата или угадывания ключей, существующий в традиционных методах.
  • Считается ориентированной на будущее, поскольку неуязвима перед потенциальными достижениями в области квантовых вычислений, которые могут нарушить традиционные методы шифрования. Используя принципы квантовой механики, она предлагает безопасное решение для долгосрочной защиты данных.
  • Используя квантовые ключи, гарантирует, что отправитель и получатель, а также любые посредники могут безопасно аутентифицировать друг друга. Это помогает предотвратить несанкционированный доступ и защищает от атак типа «человек посередине».

В целом, преимущества квантовой криптографии заключаются в ее способности обеспечивать надежную защиту, безопасное распределение ключей, защиту от достижений квантовых вычислений в будущем и надежные механизмы аутентификации.

Потенциальные недостатки и ограничения, связанные с квантовой криптографией, включают следующее:

  • Протоколы КРК ограничены максимальным расстоянием, на котором они могут быть реализованы. Это связано с потерей квантовых состояний через передающую среду. После определенного расстояния количество потерь становится слишком большим, чтобы надежно установить безошибочное распределение ключей [6].
  • Для реализации квантовой криптографии требуется сложное и высокочувствительное оборудование. Установка и обслуживание таких систем может быть дорогостоящим и сложным делом. Кроме того, окружающий шум, колебания и несовершенства могут привести к ошибкам или уязвимостям безопасности в процессе передачи и измерения.
  • Скорость распространения ключей значительно медленнее, чем в классической криптографии. Это связано с тем, что процесс включает в себя передачу отдельных кубитов и проверку их состояния на принимающей стороне, что увеличивает задержку связи. Пока исследователи работают над улучшением скорости, она остается ограничением в практической реализации.
  • Стоимость систем квантовой криптографии может быть значительно выше по сравнению с традиционными криптографическими методами. В основном это связано со специализированным оборудованием, необходимым для генерации, передачи и обнаружения квантовых состояний. Ожидается, что по мере развития технологии и ее более широкого использования стоимость будет снижаться.
  • Квантовая криптография не защищена от всех возможных атак. Уязвимости могут существовать в реализации криптографических протоколов, а также потенциальные недостатки в используемых физических устройствах или методах измерения. Кроме того, атаки на оборудование или процесс проверки могут поставить под угрозу безопасность системы.
  • Доверие к надежной инфраструктуре. Квантовая криптография исходит из предположения, что инфраструктура, используемая для передачи и получения квантовых состояний, является безопасной и надежной. Любая компрометация в этой инфраструктуре, например вмешательство в среду передачи или атака на аппаратные компоненты, может подорвать гарантии безопасности, обеспечиваемые квантовой криптографией.
  • Квантовая криптография еще не совместима с существующими классическими криптографическими системами. Это создает проблемы с точки зрения интеграции квантовых криптографических протоколов в существующие сети или системы связи. Это требует значительных обновлений или отдельной инфраструктуры, предназначенной для квантовой связи.
  • Хотя квантовая криптография устойчива к атакам с использованием квантовых компьютеров, она не застрахована от атак со стороны самих квантовых компьютеров будущего. Если будут разработаны крупномасштабные отказоустойчивые квантовые компьютеры, способные взламывать существующие криптографические алгоритмы, это может также сделать уязвимой существующую квантовую криптографию, что потребует разработки новых квантово-устойчивых схем.

Будущее квантовой криптографии

В будущем квантовая криптография может стать неотъемлемой частью современной криптографической инфраструктуры.

Квантовые компьютеры находятся на ранних стадиях и нуждаются в дополнительной разработке, прежде чем широкая аудитория сможет начать использовать квантовую связь.

 Обычная криптография симметричных ключей может быть подвержена угрозам со стороны квантовых компьютеров. Однако исследователи работают над разработкой новых квантово-безопасных методов шифрования, устойчивых к атакам квантовых компьютеров.

Как и со всеми новыми технологиями, будущее квантовой криптографии также будет сопряжено с вызовами и преградами. Необходимо разработать и внедрить стандарты квантовой криптографии, чтобы обеспечить совместимость и безопасность систем. Также необходимо улучшить и расширить физические и технические аспекты квантовых каналов связи.

Вывод

Квантовая криптография является новым подходом к обеспечению безопасности информации, который основан на фундаментальных принципах квантовой механики. Она предлагает новые методы шифрования и передачи данных, которые потенциально более устойчивы к атакам и взлому, чем классическая криптография.

Уникальные свойства квантовой криптографии делают ее перспективной альтернативой для обеспечения безопасности информации. Однако, на данный момент, квантовая криптография все еще находится в стадии исследования и разработки. Она требует использования специальных квантовых устройств, которые являются сложными в производстве и дорогими в разработке. Кроме того, требует наличия надежных средств передачи квантовых сигналов, таких как оптические волокна.

Тем не менее, квантовая криптография предлагает новые возможности для создания безопасных систем передачи информации. Она может быть особенно полезна для защиты важных данных. В долгосрочной перспективе, с развитием технологий и уровнем их доступности, квантовая криптография может стать всемирным стандартом для обеспечения безопасности интернет-коммуникаций.

Список литературы

  1. Квантовая криптография / шифрование [Электронный ресурс]: TAdviser. URL: https://www.tadviser.ru/index.php/Статья:Квантовая_криптография_(шифрование) (дата обращения: 01.07.2023).
  2. Защита информации: Квантовая криптография КоммерсантъНаука [Электронный ресурс]: Квантово-безопасная криптография: электрон. журн. 2020. №6 (601). URL: https://www.kommersant.ru/doc/4299403 (дата обращения: 02.07.2023).
  3. Иванова Е.Ю., Ларионцева Е.А. Введение в квантовую криптографию: основные понятия, подходы и алгоритмы. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 11. URL: http://engjournal.ru/catalog/it/security/1000.html.
  4. Quantum Cryptography: An Overview of the Future of Encryption. URL: https://cybertalents.com/blog/quantum-cryptography (дата обращения: 04.07.2023).
  5. BB84 [Электронный ресурс]: URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/BB84 (дата обращения 04.07.2023).
  6. Филиппов М. А., Кротова Е. Л. Квантовая криптография. Преимущества и недостатки // Вестник УрФО № 4(26) / 2017, с. 25–27 URL: http://info-secur.ru/is_26/4(26)-2017_25-27.pdf (дата обращения 03.07.2023).

Интересная статья? Поделись ей с другими: