Квантовая криптография, или квантовое шифрование, включает в себя различные методы кибербезопасности, которые используют законы квантовой механики для шифрования и передачи защищенных данных. Системы квантовой криптографии, хотя находятся на начальной стадии развития, обладают потенциалом быть значительно более безопасными, чем традиционные криптографические алгоритмы, и теоретически не поддается взлому.
В отличие от традиционной криптографии, основанной на математике, квантовая криптография базируется на законах физики. В частности, она использует уникальные принципы квантовой механики:
- Частицы по своей природе неопределенны. На квантовом уровне частицы могут одновременно существовать более чем в одном месте или в более чем одном состоянии бытия в одно и то же время. И невозможно предсказать их точное квантовое состояние.
- Фотоны могут быть измерены случайным образом в бинарных позициях. Фотоны, мельчайшие частицы света, могут иметь определенную полярность, или спин. Он может служить двоичным аналогом единиц и нулей классических вычислительных систем.
- Квантовая система не может быть измерена без изменений. Согласно законам квантовой физики, элементарный акт измерения или даже наблюдения квантовой системы всегда будет иметь измеримый эффект на эту систему.
- Частицы могут быть частично, но не полностью клонированы. Хотя свойства некоторых частиц могут быть клонированы, считается, что стопроцентное клонирование невозможно.
Системы квантовой криптографии: важность квантовой криптографии
В настоящее время традиционное шифрование данных обычно достаточно для обеспечения безопасности коммуникаций. Однако развитие квантовых вычислений представляет серьезную угрозу даже для самых надежных криптографических алгоритмов.
Как и квантовая криптография, квантовые вычисления представляют собой стремительно развивающуюся технологию, основанную на законах квантовой механики. В отличие от самых быстрых современных классических компьютеров, квантовые компьютеры могут решать сложные задачи в разы быстрее.
Угрозы квантовых компьютеров
Математик Питер Шор впервые описал угрозу, которую квантовые компьютеры представляют для традиционных систем безопасности, в 1994 году. Современные криптосистемы делятся на две основные категории: симметричные системы, использующие один секретный ключ как для шифрования, так и для расшифровки данных. И асимметричные системы, использующие открытый ключ, который может прочитать любой желающий, и закрытые ключи, доступ к которым имеют только уполномоченные лица. Оба типа криптосистем создают эти ключи путем перемножения больших простых чисел. И полагаются на огромную вычислительную мощность, которая требуется для факторизации больших чисел, чтобы гарантировать, что эти ключи шифрования не могут быть взломаны подслушивающими устройствами или хакерами.
Даже самым мощным суперкомпьютерам на Земле потребуются тысячи лет, чтобы математически взломать современные алгоритмы шифрования, такие как Advanced Encryption Standard (AES) или RSA. Согласно алгоритму Шора, факторизация большого числа на классическом компьютере потребовала бы столько вычислительной мощности, что хакеру потребовалось бы много жизней, прежде чем он смог бы даже приблизиться к этому. Но полнофункциональный квантовый компьютер, если он будет усовершенствован, потенциально может найти решение всего за несколько минут.
По этой причине варианты использования квантовой криптографии столь же безграничны, как и варианты использования любой формы криптографии вообще. В случае, если необходимо обеспечить безопасность чего-либо – от корпоративной информации до государственных секретов, – квантовые вычисления сделают существующие криптографические алгоритмы устаревшими. Квантовая криптография может стать нашим единственным средством защиты конфиденциальных данных.
Пока ученые-компьютерщики всего мира день и ночь трудятся над разработкой практических квантовых технологий. Очень важно, чтобы мы также разработали новые формы криптографии, чтобы подготовиться к квантовой эре вычислений. Хотя раньше квантовые компьютеры считались лишь теоретическими, по оценкам экспертов, до полного вступления в квантовую эру осталось всего 20-50 лет.
Системы квантовой криптографии: типы квантовой криптографии
Квантовое распределение ключей (QKD)
Квантовое распределение ключей (QKD) – наиболее распространенный вид квантовой криптографии, теоретически разработанный в 1984 году Чарльзом Х. Беннетом (из исследовательского центра IBM Thomas J. Watson) и Жилем Брассаром. Системы QKD обычно используются не для шифрования защищенных данных, а для безопасного обмена ключами между двумя сторонами путем совместного создания общего закрытого ключа, который, в свою очередь, может быть использован для традиционных методов шифрования с симметричным ключом.
Системы QKD работают путем передачи отдельных фотонов по оптоволоконному кабелю. Этот поток фотонов движется в одном направлении, и каждый из них представляет собой один бит данных – либо ноль, либо единицу. Поляризованные фильтры на стороне отправителя изменяют физическую ориентацию каждого отдельного фотона в определенное положение. А приемник использует два имеющихся разветвителя луча, чтобы считывать положение каждого фотона по мере его получения. Отправитель и получатель сравнивают позиции отправленных фотонов с декодированными позициями, и тот набор, который совпадает, становится ключом.
Чтобы лучше понять QKD, представьте себе двух людей, Алису и Боба, которым нужно установить безопасное соединение. Они могут использовать QKD для создания безопасного криптографического ключа, посылая поляризованные фотоны по оптоволоконному кабелю. Кабель не нужно защищать, потому что каждый фотон будет иметь свое собственное рандомизированное квантовое состояние. Если кто-то, назовем его Ева, будет подслушивать, Алиса и Боб всегда смогут узнать об этом, потому что невозможно наблюдать за квантовым состоянием, не влияя на него. Таким образом, системы QKD считаются невзламываемыми. Если Боб и Алиса обнаружат изменения в квантовых состояниях фотонов, они узнают, что Ева подслушивает. А если Ева подслушивает, Боб и Алиса всегда смогут это обнаружить.
Проблемы этой системы
Хотя преимущества QKD были доказаны как в лабораторных, так и в полевых условиях, существует множество практических проблем, препятствующих широкому распространению, в первую очередь требования к инфраструктуре. Фотоны, передаваемые по оптоволоконным кабелям, деградируют на расстояниях от 248 до 310 миль. Однако последние достижения позволили увеличить радиус действия некоторых систем QKD на целые континенты за счет использования защищенных узлов и фотонных ретрансляторов.
Квантовое подбрасывание монет
Квантовое подбрасывание монет – это тип криптографического примитива (что-то вроде строительного блока для алгоритмов), который позволяет двум сторонам, не доверяющим друг другу, договориться о наборе параметров. Представьте себе, что Боб и Алиса разговаривают по телефону и хотят сделать ставку на бросок монеты, но доступ к монете есть только у Боба. Если Алиса поставит на голову, как она может быть уверена, что Боб не солжет и не скажет, что монета упала на решку, даже если она упала на голову?
Этот тип ставки 50:50 можно реализовать, если Боб пошлет Алисе серию фотонов, поляризованных по одной из двух ориентаций. При этом он записывает конкретные спины каждого фотона, как единицу или ноль, а также фильтры, которые он использует для установки их полярности. Алиса может угадать, какой фильтр использовать для считывания поляризации каждого отдельного фотона. И исходя из этого, она может сравнить свои показания с записями Боба и предположить, выбрал ли Боб один набор полярностей или другой. Если Боб или Алиса подозревают друг друга в мошенничестве, они могут сравнить показания поляризационных фильтров для проверки подлинности.
Заключение: системы квантовой криптографии
Квантовая криптография находится на стыке квантовой механики и информационной безопасности. Она обещает революционные изменения в области кибербезопасности. Технологии открывают новые горизонты для создания практически невзламываемых систем шифрования. Несмотря на текущие технические и инфраструктурные ограничения, продолжающиеся исследования и разработки делают квантовую криптографию жизнеспособным решением для будущего. Особенно в свете угроз, исходящих от квантовых вычислений. Развитие этих технологий требует не только технического прогресса, но и адаптации существующих систем безопасности к новой квантовой реальности.
