Квантова криптографія

КВА́НТОВА КРИПТОГРА́ФІЯ — наука, що ви­вчає методи захисту систем звʼязку і базується на принциповій непорушності закономірностей квантової фізики, обʼєкти якої забезпечують процеси без­печного пере­дава­н­ня інформації між легітимними користувачами. Осн. засадами є постулат вимірюва­н­ня (результат принципу неви­значеності Гейзенберґа) та т. зв. теорема про заборону клонува­н­ня. Принцип неви­значеності — це фундам. нерівність (від­ноше­н­ня неви­значеностей), згідно з якою усі динам. параметри поділяють на 2 групи (перша — часові та простор. координати; друга — імпульс та енергія), при чому неможливо одночасно виміряти параметри з різних груп (напр., місцерозташува­н­ня та енергію обʼєкта). Теорема про заборону клонува­н­ня стверджує неможливість створе­н­ня точних (на 100 %) копій квант. обʼєктів. Ці властивості не притаман­ні класич. системам звʼязку і забезпечують теор.-інформ. (абсолютну й без­умовну) стійкість К. к. В остан­ні роки знач. інтерес серед світ. наук. спільноти викликають системи захисту інформації на базі методів К. к. Вагоме місце посідає квант. роз­поділ ключів (КРК), також ви­окремлюють такі напрями, як квант. прямий без­печ. звʼязок (КПБЗ), квант. роз­діле­н­ня секрету (КРС), квант. поток. шифр (КПШ), квант. цифр. під­пис (КЦП) та квант. стегано­графія (див. Рис.).
Осн. терміни, що використовують у галузі К. к.: квант. система захисту інформації, у якій хоча б одна із задач роз­вʼязується за допомогою квант. методів захисту інформації, — сукупність взаємоповʼяз. заходів, засобів та методів, спрямов. на виріше­н­ня зав­дань захисту інформації (забезпече­н­ня конфіденційності, цілісності та до­ступності за умови впливу за­гроз природ. чи штуч. характеру, реалізація яких може завдати шкоди легітим. користувачам та власникам інформації); квант. метод захисту інформації — сукупність теор. принципів та практ. при­йомів, що використовують властивості квантів, ґрунтуються на непорушності постулатів квант. фізики (механіки) і спрямов. на забезпече­н­ня захищеності базових характеристик інформації; квант — елементарна неподільна порція фіз. величини, яка є носієм певного типу взаємодії (напр., фотон, що є носієм електромагніт. взаємодії, фонон, гравітон тощо); кубіт — мін. величина квант. інформації (аналог у класич. інформації — біт), дворівнева квант. система, що на від­міну від класич. біта може пере­бувати у стані суперпозиції (тобто при­ймати значе­н­ня «1» та «0» у певний момент часу з певною ймовірністю). Математично кубіт є вектором у двовимір. гільбертовому просторі. Ідею викори­ста­н­ня квант. обʼєктів для захисту інформації вперше за­пропонував 1970 С. Вайснер, 1984 Ч. Бен­нет (компанія IBM) та Ж. Брас­сар (Монреал. університет) роз­винули її і за­пропонували перший протокол К. к. ВВ84, що став альтернат. і нетрадиц. виріше­н­ням про­блеми роз­поділу ключів шифрува­н­ня (досить актуал. для крипто­графії). У ньому, як і в більшості протоколів з одинич. поляризов. фотонами, використовують 4 поляризов. стани фотонів (0º, 45º, 90º, 135º), що пере­даються квант. ка­налом звʼязку. Пошук та виправле­н­ня помилок виконують з викори­ста­н­ням від­критого класич. ка­налу, який не повинен бути конфіденційним, а тільки аутентифікованим. Для виявле­н­ня факту дій зловмисника використовують процедуру контролю помилок, а для забезпече­н­ня теор.-інформ. стійкості — класичну процедуру під­силе­н­ня секретності. Протокол ВВ84 вважають основоположником протоколів К. к., яких на сьогодні за­пропоновано вже кілька десятків. Нині існують декілька систем К. к., які ви­йшли на світ. ринок і позиціонуються як надійні системи роз­поділу ключів та крипто­граф. захисту інформації. Першим у світі комерц. ріше­н­ням К. к. була система QPN Security Gateway (QPN-8505), за­пропонована амер. компанією MagiQ Technologies (економічно вигідна, зорієнтована на уряд. та фінанс. організації). Вона пропонує захист VPN за допомогою КРК (бл. 100 ключів 256 біт за секунду на від­стань до 140 км) та інтегров. шифрува­н­ня. Система QPN-8505 використовує такі протоколи: квантовий BB84, традиційні 3DES (112 біт) та AES (256 біт). За допомогою цієї системи можна організувати захищену квант. мережу. Ін. ефектив. ріше­н­ням є система КРК Clavis² швейцар. компанії ID Quantique. Вона побудована на автокомпенсуючій оптич. платформі, завдяки чому забезпечується стабільність і низький рівень квант. помилок, що під­тверджено числен. екс­периментами. За допомогою неї можна здійснювати захищений роз­поділ ключів шифрува­н­ня між двома абонентами на від­стань до 100 км. Крім того, компанія пропонує квант. систему Cerberis — сервер з автомат. створе­н­ням і секрет. обміном ключами, захищеним оптоволокон. ка­налом (FC-1G, FC-2G та FC-4G). Ця система може роз­поділяти ключі на від­стань до 50 км, а її характер. особливістю є 12 паралел. криптообчислень, що значно під­вищує швидкодію. Система Cerberis використовує для шифрува­н­ня протокол AES (256 біт), а для КРК — протоколи BB84 та SARG. На поч. 21 ст. британ. компанією Toshiba Research Europe Ltd пред­ставлено систему КРК Quantum Key Server, яка від­різняється простотою своєї архітектури та забезпечує генерацію бл. 100 ключів 256 біт за секунду та їхнє одно­сторон­нє пере­дава­н­ня від пере­давача до при­ймача. До її складу входить інтегров. модуль автомат. керува­н­ня, що проводить без­перерв. моніторинг системи Quantum Key Server і регулює оптичні характеристики. Ін. британ. компанія QinetiQ за­пропонувала першу у світі компʼютерну мережу, що використовує К. к., — Quantum Net (Qnet). Макс. довжина ліній звʼязку цієї мережі становить 120 км, та найголовнішим є те, що система Qnet — це перша квантово-крипто­граф. система, що використовує більше 2-х серверів (їх у цій системі 6, і всі вони є інтегрованими в Інтернет). Нині дослідже­н­ня щодо роз­робле­н­ня квант. криптосистем інтенсивно проводять ві­домі у світі н.-д. ін­ституції — Institute for Quantum Optics and Quantum Information, Northwestern University, SmartQuantum, BBN Technologies of Cambridge, TREL, NEC, Mitsubishi Electric, ARS Seibersdorf Research, Los Alamos National Laboratory та ін. В Україні теор. роз­робками за­ймаються вчені у Нац. авіац. університеті, Нац. тех. університеті України «Київ. політех. ін­ститут», Одес. академії звʼязку та Ін­ституті фізики НАНУ (Київ). Ці дослідже­н­ня пере­важно зорієнтовані на роз­робле­н­ня нових протоколів К. к., методів під­силе­н­ня секретності існуючих протоколів, а також на моделюва­н­ня процесів пере­дава­н­ня (та пере­хопле­н­ня) інформації квант. ка­налами з шумом. Знач. внесок у роз­виток К. к. зробили Ч. Бен­нет, Ж. Брас­сар, Є. Васіліу, С. Гнатюк, О. Гомонай, А. Ек­керт, С. Кілін, О. Корченко, С. Молотков, М. Нільсен, К. Румянцев, А. Семенов, В. Усенко, Д. Хорошко, А. Цайлінґер, І. Чанґ та ін.

Фотоілюстрації

×

❮ ❯

Завантажити статтю