Neapsakomai patikima kvantinė kriptografija

Kembridže, JK, „Toshiba“ tyrėjai rado būdą užkimšti saugumo spragą, kuri šiuo metu riboja, kiek ir kaip greitai šifravimo raktai gali būti platinami naudojant esamas kvantines kriptografines sistemas. Pokyčiai gali išplėsti besąlygiškai saugaus kvantinio rakto platinimo komercinį patrauklumą, sako Andrew Shieldsas. Kvantinės informacijos grupė „Toshiba Research Europe“, kuris vadovavo tyrimui.

Pavojus skaičiais: Kad kvantinis šifravimas būtų visiškai saugus, reikės naudoti vieno fotono impulsus. Nuotraukoje – naujas šviesos diodas, galintis generuoti tokius impulsus.

Kvantinę kriptografiją šiuo metu naudoja tik kai kurie bankai ir vyriausybės departamentai šifravimo raktams tarp pastatų siųsti. Tačiau sistemos gali užtikrinti saugumą tik palyginti nedideliais atstumais. Iššūkis yra išplėsti diapazoną ir padidinti raktų siuntimo greitį, kad juos būtų galima naudoti plačiau, sako Shieldsas.

Dabartinės komercinės kvantinės kriptografijos sistemos yra sukurtos taip, kad dvi šalys galėtų keistis slaptais šifravimo raktais nerizikuojant, kad jie bus perimti. Tai atliekama užkoduojant skaitmeninę pagrindinę informaciją šviesos pliūpsniais, siunčiamais standartiniais optiniais pluoštais.

Šių skaitmeninių klavišų 1 ir 0 yra užkoduoti laiko delsa tarp atskirų fotonų impulsų. Teoriškai tai taip saugu yra tai, kad bet koks pasiklausytojo bandymas perimti signalą būtinai bus susijęs su atskirų fotonų pašalinimu iš signalo – tai veiksmas, kurį galima aptikti.

Tačiau praktiškai toks besąlyginis saugumas tikrai gali būti garantuotas tik tuo atveju, jei šviesos šaltinis skleidžia tik pavienius fotonus. Kadangi tai netaikoma dabartiniame kvantiniame šifravime, galimos pasiklausymo atakos. Pagal vieną strategiją pasiklausytojas sifonuoja atskirus fotonus; ši ataka remiasi tuo, kad kai kuriuos impulsus sudarys daugiau nei vienas fotonas, tai reiškia, kad jie nebus praleisti.

Kad tai būtų išvengta, esamos komercinės kvantinio šifravimo sistemos naudoja gudrybes, kad sumažintų tikimybę, kad impulsuose bus keli fotonai. Pavyzdžiui, sistemos gali apriboti kiekvieno impulso intensyvumą ir sumažinti jų siuntimo spartą. Tačiau kompromisas yra tas, kad kuo silpnesnis impulsas, tuo mažesnį atstumą jis gali nukeliauti, o lėtesnė bitų sparta apribos greitį, kuriuo bus galima paskirstyti klavišus, sako Shieldsas.

Toshiba sprendimas yra įtraukti į signalą tai, ką Shields vadina apgaulės impulsais. Šie impulsai yra atsitiktinai įsiterpę į signalą ir yra silpnesni už likusį signalą. Tai reiškia, kad jie retai susideda iš daugiau nei vieno fotono. Jei pasiklausytojas bandys blokuoti pavienius fotonus, siurbdamas kelis fotonus iš likusių impulsų, bus blokuojama vidutiniškai daugiau šių apgaulės impulsų nei likęs signalas. Taigi stebint signalų santykį su jaukų impulsais, kurie prasiskverbia, galima aptikti ataką.

Naudojant šį apgaulės metodą, galima naudoti galingesnius lazerio impulsus, o tai savo ruožtu leidžia padidinti bitų spartą ir taip pat atstumą, per kurį jis gali būti siunčiamas, sako Shieldsas. Neapgauti signalai gali pasiekti apie 43 bitus per sekundę maždaug 25 kilometrų atstumu. Tačiau apgaulės metodas gali pasiekti 5,5 kilobitų per sekundę, o tai yra 100 kartų didesnis.

Jau dabar galima gauti besąlyginį saugumą, tačiau iššūkis yra tai padaryti ilgesniais atstumais, sako Gregoire'as Ribordy , generalinis direktorius ir įkūrėjas kvantinis id , Šveicarijos kompanija, kuri 2002 m. paleido komercinę kvantinės kriptografijos sistemą. Šis masalas leidžia padidinti diapazoną arba bitų spartą tam tikram atstumui, sako Ribordy.

Apgaulės metodas yra labai naudinga apsauga nuo tokio pobūdžio kvantinės kriptografijos išpuolių, o kelios grupės šiuo metu taiko panašius metodus. Frankas Wongas MIT kvantinės informacijos mokslo grupės narys. Tačiau teiginių apie besąlyginį saugumą bėda ta, kad šiuo metu nėra jokių priemonių tai išbandyti, išskyrus modeliavimą, sako Wongas.

Antrasis grupės pasiekimas turi didesnę ilgalaikę reikšmę, sako Shieldsas. Tai yra šviesos diodo, galinčio patikimiau spinduliuoti pavienius fotonus, sukūrimas. Jis sako, kad naudojant kvantinio rakto paskirstymą idealu yra siųsti tik pavienius fotonus. Jei tai būtų galima padaryti patikimai, perdavimas būtų tikrai nepralaidus jokiems išpuoliams, o tokie metodai kaip apgaulės impulsai taptų nereikalingi.

„Toshiba“ tikslas yra sukurti 45 nanometrų skersmens kvantinių taškų masyvą, galintį spinduliuoti tik pavienius fotonus. Nors šviesos diodas, pagamintas naudojant šiuos kvantinius taškus, vis tiek retkarčiais išspinduliuoja daugiau nei vieną fotoną, tikimybė, kad taip nutiks, yra penkis kartus mažesnė nei naudojant lazerį. Yra ir kitų būdų, kaip gaminti pavienius fotonus, tačiau vienas iš kvantinių taškų naudojimo pranašumų yra tai, kad juos galima lengvai integruoti ir valdyti elektronika. Valdymas įtampa, o ne lazeriu yra didelis privalumas, nes elektriniai įrenginiai yra daug kompaktiškesni ir tvirtesni, sako Shieldsas.

paslėpti