КВАНТОВАЯ  КРИПТОГРАФИЯ

Комбин  Никита  Николаевич

студент  1  курса,  кафедра  вычислительной  техники  и  защиты  информации  ФГБОУ  ВПО  ОГУ, 
РФ,  г.  Оренбург

Е-mail:  kombinnikita@gmail.com

Развитие  информационных  технологий,  повсеместное  распространение  интернета  и  средств  связи,  способствовало  лавинообразному  увеличению  объемов  персональных  данных  и  конфиденциальной  информации  в  мире.  С  массовым  использованием  вычислительных  устройств  во  всех  областях  деятельности  человека,  увеличилось  и  число  возможных  нарушений  прав  доступа  даже  без  физического  доступа  к  компьютеру.  Стремление  обеспечить  секретность,  заставляло  людей  на  протяжении  веков,  заниматься  поисками  способов  защиты  информации.  Постоянная  борьба  между  криптоаналитиками  и  создателями  шифров  содействовала  развитию  науке  о  защите  данных  –  криптографии.

Только  незначительная  часть  от  всей  информации,  передаваемой  через  интернет,  зашифрована.  Большинство  людей,  вообще  не  задумывается  о  необходимости  защиты  своих  персональных  данных.  На  данный  момент  уже  разработано  множество  всевозможных  методов  шифрования:  от  обыкновенных  симметричных  шифров,  использующих  одинаковый  ключ  для  шифрования  и  дешифрования,  до  ассиметричного  способа  шифрования  с  открытым  ключом.

C  развитием  науки  человек  учился  манипулировать  материей  на  все  более  микроскопическом  уровне,  где  законы  классической  физики  теряют  смысл.  Создание  квантового  компьютера  способно  положить  конец  противоборству  создателей  шифров  и  их  взломщиков  раз  и  навсегда.  Вычислительный  потенциал  такого  компьютера  представляет  опасность  для  глобальной  безопасности  в  целом.  За  минимальное  время  он  способен  взломать  любой  из  существующих  криптоалгоритмов.  Однако,  согласно  квантовой  теории,  теоретически  возможно  создание  метода  шифрования,  не  поддающегося  криптоанализу  –  квантовой  криптографии.  Такой  способ  шифрования  в  корне  отличается  от  придуманных  ранее,  и  несет  надежду  на  совершенную  стойкость  шифра.

История  квантовой  криптографии  начинается  с  работы  одного  аспиранта  колумбийского  университета.  Стивен  Виснер,  в  конце  60  годов  выдвинул  идею  создания  квантовых  денег,  подделка  которых  не  представлялась  возможным.  Квантовые  деньги  Виснера,  как  и  квантовая  криптография,  основываются  на  физике  фотонов.  При  движении  фотон  производит  колебания.  Угол,  под  которым  происходят  эти  колебания,  называется  поляризацией  фотона.  На  пути  его  движения  устанавливается  барьер  (поляризационный  фильтр),  пропускающий  фотоны  только  с  определённой  поляризацией.  Подобным  способом  работают  поляроидные  солнцезащитные  очки.  Линза,  являясь  поляризационным  фильтром,  задерживает  фотоны,  и  до  глаз  человека  доходят  только  фотоны,  обладающие  одинаковой  поляризацией.  Виснер  собирался  использовать  это  для  защиты  денег  от  подделки.  Согласно  его  идее,  на  каждой  банкноте  располагалось  по  20  ловушек  для  фотонов  –  фильтров,  обладающих  заданной  банком  свойствами.  Чтобы  подделать  такие  деньги,  фальшивомонетчику  необходимо  однозначно  определить  степень  поляризации  фотона  проходящего  через  фильтр,  что  сделать  однозначно,  согласно  квантовой  механике  не  представляется  возможным.  Данная  сложность  обусловлена  принципом  неопределенности,  сформулированным  немецким  физиком  Вернером  Гейзенбергом.  Согласно  этому  утверждению  «в  принципе  невозможно  знать  настоящее  во  всех  подробностях».  Т.  е.  только  банк  способен  проверить  подлинность  банкноты,  потому  что  только  ему  известна  изначальная  поляризация  фотона.

Позднее  Чарльз  Беннет  и  Жиль  Брассард  нашли  применение  работам  Виснера  в  криптографии,  предложив  первый  протокол  «Квантового  распределения  ключа»  –  ВВ84.

Для  перехвата  сообщения  зашифрованного  с  помощью  подобного  алгоритма  необходимо  определить  поляризацию  каждого  переданного  фотона,  так  же  как  и  злоумышленнику  при  попытке  подделать  банкноты  Виснера.  При  попытке  перехвата  такого  сообщения,  фотоны  меняют  свои  свойства,  тем  самым  сводя  на  нет  усилия  взломщика.  Кроме  того  получатель  может  установить  была  ли  произведена  попытка  перехвата,  по  изменённому  состоянию  дошедшего  до  него  фотона.  Таким  образом,  квантовая  криптография  обеспечивает  абсолютную  секретность  связи.  Подобная  идея  безошибочно  работает  в  теории,  а  на  практике  сталкивается  с  рядом  трудностей.  Во-первых,  сложность  манипулирования  отдельными  фотонами.  Во-вторых,  малое  рабочее  расстояние.  В-третьих,  нестабильность  всей  системы  в  целом.  Малейшее  воздействие  на  фотоны  меняет  их  поляризацию,  нарушая  целостность  передаваемого  сообщения.  Практическим  решением  на  данный  момент  является  использование  существующих  оптоволоконных  сетей.  Тем  самым  становится  возможной  передача  ключа  на  расстояния  порядка  200  км.  [2].  Также  ведутся  исследования  в  области  передачи  данных  через  спутники.

Рассмотрим  существующие  решение  российских  ученых  в  области  квантовой  криптографии:

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ  УСТАНОВКА

ДЛЯ  КВАНТОВОЙ  КРИПТОГРАФИИ  ИФП  СО  РАН

Полупроводниковые  лазеры ИППН-210  (ПО  "Север")

Длина  волны       830  нм

Длительность  импульсов       10  нс

Частота  следования      100  кГц

Si  лавинные  фотодиоды       C30902S  (EG&G,  Canada)

Вероятность  детектирования >  50  %

Длительность  выходных  импульсов  10  нс

Частота  темновых  импульсов        1–3  кГц

Квантовый  канал  -  открытый  промежуток  длиной  1  м

Скорость  генерации  ключа  1  кбит/сек  при  m=0.1

1.8  кбит/сек  при  m=0.2

Количество  ошибок  в  ключе        1  %

Для  генерации  фотонов  используется  ослабленное  излучение  полупроводниковых  лазеров.  В  качестве  детекторов  служат  лавинные  фотодиоды,  способные  усиливать  электрические  импульсы.  При  подаче  порогового  напряжения  на  фотодиод  происходит  регистрация  фотона.

Остается  вопрос:  сколько  потребуется  времени,  прежде  чем  квантовая  криптография  станет  общедоступной  для  рядового  пользователя  глобальной  сети.  На  сегодня  основным  методом  надежной  защиты  является  шифр  RSA,  использующий  ассиметричный  алгоритм.  Однако,  с  ростом  вычислительной  мощности  и  созданием  квантового  компьютера  все  существующие  методы  шифрования,  в  том  числе  и  шифр  RSA,  станут  бесполезными.  Главным  же  отличием  квантовой  криптографии  является  ее  абсолютная  стойкость.  Она  основана  на  физических  законах,  вследствие  которых  злоумышленнику  никогда  не  удастся  безошибочно  определить  содержание  зашифрованного  сообщения.  Квантовая  криптография  превосходно  справляется  и  с  другими  задачами  защиты  информации,  такими  как  аутентификация,  анонимность,  сертификация,  целостность  и  др.

Когда  будут  созданы  подобные  криптографические  системы,  возникнет  другой  этический  вопрос.  Данная  технология  будет  доступна  не  только  правительству,  военным,  рядовому  человеку,  но  и  преступникам,  которые  смогут,  не  опасаясь  прослушивания,  вести  переписку.  Любая  информация  ,зашифрованная  с  помощью  такой  системы,  станет  неуязвима  к  перехвату,  даже  со  стороны  спецслужб.  Квантовая  криптография  превосходно  справляется  и  с  другими  задачами  защиты  информации,  такими  как  аутентификация,  анонимность,  сертификация,  целостность  и  др.

Список  литературы:

1. Квантовая  криптография.  –  2015  [Электронный  ресурс]  –  Режим  доступа.  –  URL:  http://iwsauk.com/p5097.htm  (дата  обращения:  22.11.15).
2. Квантовая  криптография.  Лаборатория  нелинейных  резонансных  процессов  и  лазерной  диагностики.  –  2015  [Электронный  ресурс]  –  Режим  доступа.  –  URL:  http://www.isp.nsc.ru/index.php?ACTION=part&id_part=5&sub_part=239  (дата  обращения:  22.11.15).
3. Сингх  С.Л.  Книга  шифров.  Тайная  история  шифров  и  их  расшифровки.  –  СПб.:  Астрель,  2007.  –  404  с.
4. Шредингер  Э.  К  принципу  неопределенностей  Гейзенберга  //  Избранные  труды  по  квантовой  механике.  –  М.:  Наука,  1976.  –  С.  210–217.
5. Quantum  key  distribution  over  a  40-dB  channel  loss  using  superconducting  single-photon  detector.  –  2015  [Электронный  ресурс]  –  Режим  доступа.  –  URL:  http://www.nature.com/nphoton/journal/v1/n6/abs/nphoton.2007.75.html  (дата  обращения:  22.11.15).