КРИПТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ: КВАНТОВАЯ КРИПТОГРАФИЯ

CRYPTOGRAPHIC METHODS: QUANTUM CRYPTOGRAPHY

Nikita Nikolaenko

student, Department of Information Technology, Altai State Technical University,

Russia, Barnaul

АННОТАЦИЯ

 В данной статье обозревается происхождение, основные принципы функционирования, современные тенденции развития и практическое применение квантовой криптографии.

ABSTRACT

This article examines the origin, basic principles of operation, current development trends and practical application of quantum cryptography.

Ключевые слова: криптография, квантовая криптография, протокол BB84, безопасность, технологии.

Keywords: cryptography, quantum cryptography, BB84 protocol, security, technologies.

С внедрением современных технологий и широким распространением вычислительных сетей появилась острая необходимость в защите передаваемой и хранимой информации. Рост объёмов данных, передаваемых через сети, и расширение информационных пространств создают новые вызовы для обеспечения конфиденциальности, целостности и доступности данных.

Криптография стала ключевым элементом обеспечения безопасности в вычислительных сетях, предлагая эффективные методы шифрования, аутентификации и управления ключами. Однако с развитием технологий и изменением угроз требуется постоянное обновление методов и стандартов в области криптографии.

В наши дни традиционные методы шифрования часто недостаточны для полноценной защиты информационных ресурсов, что требует использования всё более новых методов. Одним из таких методов является квантовая криптография.

С появлением квантовых компьютеров, вычислительные мощности которых позволяют расшифровывать традиционные алгоритмы шифрования, возникла необходимость создания устойчивых к таким угрозам алгоритмов.

Криптография, использующая квантовую механику, представляет собой инновационный подход к защите передачи данных. Идея защиты информации от изменений и нежелательного доступа путём использования квантовых объектов впервые была предложена Стефаном Вейснером в 1970 году. Через десять лет, учёные Чарльз Беннет и Жиль Брассар, предложили применять квантовые объекты для передачи секретных ключей.

Квантовая криптография как научная дисциплина возникла в 1984 году, когда был создан первый протокол квантового распределения ключей BB84. В 1991 году Эртек Экерт развил эту концепцию. Главное превосходство квантовых криптографических протоколов над классическими заключается в их строго теоретически обоснованной стойкости: если в классической криптографии стойкость базируется на предположениях о вычислительных возможностях перехватчика, то в квантовой криптографии перехватчик может использовать любые действия, допустимые законами физики, и всё равно не сможет узнать секретный ключ, оставаясь незамеченным [5].

Принцип работы протокола BB84 можно описать следующим образом:

1. Подготовка квантовых состояний: Отправитель (назовём его Алисой) создаёт ряд одиночных фотонов, каждый из которых может находиться в одном из четырёх состояний поляризации: горизонтальной (H), вертикальной (V), диагональной (/) и антидиагональной ().
2. Передача состояний: Алиса отправляет каждый фотон по открытому каналу связи, например, через оптическое волокно, к получателю (назовём его Бобом).
3. Измерение состояний: Боб принимает фотоны и случайным образом выбирает базис для измерения каждого фотона. Например, он может выбрать горизонтально-вертикальный или диагонально-антидиагональный базис.
4. Обмен результатами: После измерений Боб сообщает Алисе, в каком базисе он измерял каждый фотон, но не раскрывает конкретные результаты измерений.
5. Проверка совпадений: Алиса и Боб сравнивают базисы, в которых производились измерения. Они отбрасывают результаты, измеренные в разных базисах. Оставшиеся биты используются для создания общего секретного ключа.
6. Уточнение ключа: Для обеспечения безопасности Алиса и Боб проводят дополнительные этапы проверки возможных перехватов или ошибок, например, случайным образом выбирая некоторые биты для сравнения.

Этот процесс позволяет обеим сторонам создать общий секретный ключ, который затем может использоваться для шифрования сообщений с помощью классических методов шифрования. Ключевое преимущество протокола BB84 заключается в том, что любая попытка перехвата фотонов изменяет их состояние, что обнаруживается при проверке совпадений базисов между Алисой и Бобом [4].

Для понимания наглядно обратимся к рисунку (Рисунок 1).

Рисунок 1. Квантовая криптография наглядно

В начале передатчик (Алиса) создает кванты света, каждый из которых может находиться в одном из четырех состояний. Ячейки Покеля необходимы для импульсной вариации поляризации потока квантов передатчиком и для анализа импульсов поляризации приемником. Она отправляет их по оптоволокну к принимающей стороне (Бобу). Боб использует кальцитовую призму, чтобы разделить свет на два фотодетектора и измерить поляризацию каждого кванта.

Проблема заключается в том, что интенсивность света может варьироваться, что делает его уязвимым к перехвату. Например, если Алиса отправляет 1000 квантов, злоумышленник может перехватить 100 из них. Чтобы сделать систему безопасной, каждый импульс света должен содержать только один квант. Если злоумышленник попытается перехватить кванты, это приведет к ошибкам у Боба, что обнаружится при анализе переданных данных [2].

Чтобы улучшить безопасность, используется эффект EPR, который связывает состояния пары квантов. Один квант остается у Алисы, а другой отправляется Бобу. Таким образом, если Алиса измерит одно состояние, Боб автоматически получит противоположное. Это обеспечивает безопасный обмен данными.

Квантовая криптография предлагает следующие перспективы в области безопасности:

1. Непреодолимая стойкость: Алгоритмы квантовой криптографии обеспечивают непреодолимую стойкость к классическим методам взлома, таким как факторизация больших чисел или криптоанализ.

2. Безусловная безопасность передачи ключей: Протоколы квантовой криптографии позволяют безусловно безопасно передавать ключи между сторонами без риска перехвата.

3. Устойчивость к квантовым компьютерам: Квантовая криптография разрабатывается с учетом возможных атак квантовыми компьютерами, которые могут представлять угрозу для классических алгоритмов шифрования [1].

Ещё совсем недавно метод квантового распределения ключей звучал как научная выдумка. Однако в 1989 году в Уотсоновском исследовательском центре IBM группа учёных под руководством Чарльза Беннета и Жиля Брассара построила первую систему для экспериментально-практической реализации протокола BB84. Эта система позволяла двум пользователям обмениваться секретным ключом со скоростью передачи данных 10 бит/с на расстоянии 30 см. В дальнейшем идея получила развитие в Национальной лаборатории Лос-Аламоса, где был проведён эксперимент по передаче ключа через оптоволоконный кабель на расстояние 48 км. При передаче сигнала через воздух удалось достичь расстояния в 1 км. Также был разработан план эксперимента по передаче квантового сигнала с использованием спутника.

В декабре 2023 года российские учёные в рамках сотрудничества с китайскими коллегами установили квантово-защищённый канал между Россией и Китаем с помощью спутника. Для передачи ключей на расстояние более 3500 км был использован спутник квантовой связи "Мо-цзы", разработанный китайскими учёными для обеспечения безопасной передачи данных по квантовому каналу. Российские специалисты создали наземную станцию в Звенигороде, которая позволила обмениваться зашифрованными данными с китайской наземной станцией в Наньшане. Этот эксперимент демонстрирует возможности квантовой криптографии и спутниковых квантовых коммуникаций на международном уровне.

Проект поддерживается стратегической инициативой НИТУ МИСИС "Квантовый интернет" в рамках программы Минобрнауки России "Приоритет 2030". Полученные результаты помогут в создании высокоскоростных квантово-защищённых спутниковых систем связи в России [6].

Учёные из различных организаций, таких как АО «Мостком», МТУСИ и КуРэйт, совместно работают над разработкой оптимальной концепции системы квантовой связи. В рамках этого проекта в МТУСИ был создан научный стенд для исследования квантовой связи в атмосфере, где проводятся эксперименты с использованием серийного оборудования российских фирм.

Важным аспектом этой работы является разработка более эффективных и универсальных алгоритмов синхронизации для коммерческих установок квантового распределения ключей. Эти алгоритмы, успешно реализованные инженерами КуРэйт и протестированные на стенде в МТУСИ, показали стабильную работу блоков квантовой связи даже в условиях изменчивой погоды и атмосферных условий [3].

Эта работа открывает путь к развертыванию полноценной атмосферной связи, защищённой с помощью квантовой криптографии, с использованием российского оборудования.

Современные тенденции в развитии квантовой криптографии свидетельствуют о значительном прогрессе в создании устойчивых к внешним воздействиям квантовых сетей и протоколов. Разрабатываются новые методы для повышения стабильности и дальности передачи квантовых ключей, а также для интеграции квантовых криптографических систем в существующие коммуникационные инфраструктуры.

Практическое применение квантовой криптографии уже начинает реализовываться в различных сферах, таких как банковское дело, государственное управление и критически важные системы безопасности. Использование квантовых ключевых распределительных систем обеспечивает высочайший уровень защиты данных, что особенно важно в эпоху информационных технологий и киберугроз.

Таким образом, квантовая криптография представляет собой перспективную технологию, способную радикально изменить подходы к обеспечению информационной безопасности. Её дальнейшее развитие и широкое внедрение могут существенно повысить защиту конфиденциальной информации и создать новые стандарты безопасности в цифровом мире.

Список литературы:

1. Кронберг, Д. А. Квантовая криптографи : учебное пособие / Д. А. Кронберг, Ю. И. Ожигов, А. Ю. Чернявский [Электронный ресурс] / http://sqi.cs.msu.ru. Режим доступа: http://sqi.cs.msu.ru/store/storage/ss8dw5n_quantum_cryptography.pdf (дата обращения: 15.05.2024).
2. Квантовая криптография / шифрование [Электронный ресурс] / https://www.tadviser.ru. Режим доступа: https://inlnk.ru/68Adzl (дата обращения: 15.05.2024).
3. В России протестировали новые алгоритмы синхронизации для систем оптической связи с квантовым распределением ключей [Электронный ресурс] / https://www.tadviser.ru. Режим доступа: https://inlnk.ru/oekn5g (дата обращения: 15.05.2024).
4. Квантовый протокол распределения ключей BB84 [Электронный ресурс] / https://habr.com. Режим доступа: https://habr.com/ru/articles/333952/ (дата обращения: 15.05.2024).
5. Квантовая криптография [Электронный ресурс] / https://wikisec.ru. Режим доступа: https://wikisec.ru/index.php?title=Квантова_криптография (дата обращения: 15.05.2024).
6. Китайский квантовый спутник побил рекорд запутанности [Электронный ресурс] / https://nplus1.ru. Режим доступа: https://nplus1.ru/news/2017/06/15/quantum-satellite (дата обращения: 15.05.2024).