Найден способ повысить безопасность квантовой криптографии — Naked Science
НИТУ «МИСиС»

Найден способ повысить безопасность квантовой криптографии

5.2

Ученые консорциума Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации», в который входят специалисты НИТУ «МИСиС», разработали способ повысить уровень защищенности квантовой криптографии. Благодаря особому алгоритму проверки, выделяются и удаляются посторонние «шумы», которые могут повлиять на процесс работы генератора случайных чисел. Это на сто процентов исключает возможность внешнего воздействия на процесс шифрования.

Найден способ повысить безопасность квантовой криптографии / ©forbb.org.ua

Статья о разработке опубликована в журнале Optics Express. За каждым процессом отправки и получения информации в современном мире стоит криптография – система шифрования данных, обеспечивающая их безопасность. Наиболее часто встречается так называемое асимметричное шифрование, в котором используются не один секретный ключ, а два: открытый и закрытый.

Закрытый (секретный) ключ хранится только у одного из участников криптографической системы, который хочет получить зашифрованное сообщение. Для этого он отправляет по обычному (незасекреченному) информационному каналу открытый ключ, который используется для того, чтобы зашифровать сообщение. Чтобы расшифровать сообщение недостаточно иметь только открытый ключ – нужно знать еще и закрытый ключ.

Эта ситуация аналогична тому, как если бы человек, желая получить секретное послание, раздавал всем желающим небольшие замки, но не давал бы никому ключи к этим замкам. Каждый, кто захотел бы поделиться с ним своим секретом, мог бы положить секретное послание в шкатулку и запереть ее этим замком. Очевидно, что теперь никто, кроме него, не сможет открыть шкатулку и прочитать секретное сообщение, даже если шкатулка попадет в руки злоумышленника.

Рисунок 1. (a) Квантовая плотность распределения интерференционного сигнала для трех различных значений видности η (0.6, 0.8 и 1). (б) Моделирование методом Монте-Карло плотности распределения сигнала при наличии флуктуаций 1s и 2s в формуле. (в) Симуляции Монте-Карло плотности распределения сигнала при наличии флуктуаций 1s и 2s , а также шума фотоприемника / ©Optics Express / Пресс-служба НИТУ «МИСиС»

Система асимметричного шифрования, опирается на недоказанное математическое утверждение о невозможности за полиномиальное время разложить целое число на простые сомножители. Поэтому считается, что мощности современного компьютера не хватит для взлома такой системы, однако такие возможности могут в ближайшем будущем появиться у квантового компьютера. Это ставит под сомнение безопасность классических методов криптографии в приближающуюся эпоху квантового превосходства.

В противовес возможным технологиям квантового взлома учеными активно разрабатываются и внедряются методы квантовой криптографии – шифрования, основанного не на компьютерных алгоритмах, а на законах квантовой механики. Системы квантовой криптографии решают задачу безопасного распределения секретного ключа между участниками криптографической системы. Секретный ключ передается по оптическому каналу с помощью одиночных фотонов.

 Рисунок 2. Моделирование методом Монте-Карло плотности распределения сигнала c учетом линейных вибраций / ©Optics Express / Пресс-служба НИТУ «МИСиС»

Согласно законам квантовой механики, злоумышленник не сможет незаметно перехватить отдельные фотоны, так что при любой его попытке узнать секретный ключ, система будет сигнализировать об опасности. Помимо источника и детектора одиночных фотонов, важным элементом системы квантовой криптографии является так называемый квантовый генератор случайных чисел. Поскольку, перехватить одиночные фотоны злоумышленник не может, то он может попытаться провести атаку именно на этот элемент системы.

Ученые консорциума Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» (НИТУ «МИСиС», компания QRate и Российский квантовый центр) разработали способ повысить уровень защищенности систем квантовой криптографии при помощи особого алгоритма, позволяющего обнаруживать атаки именно на квантовый генератор случайных чисел.

Рисунок 3. (а) Теоретическая зависимость квантового фактора сжатия от ширины шумов фотоприемника ζσ при оцифровке интерференционного сигнала компаратором. Моделирование плотности распределения интерференционного сигнала S̃ методом Монте-Карло, соответствующее трем различным значениям ζσ, показано справа от кривой. (б) Теоретическая зависимость квантового фактора сжатия от коэффициента уширения плотности распределения. (в) Плотность распределения интерференционного сигнала, полученная экспериментально / ©Optics Express / Пресс-служба НИТУ «МИСиС»

Для генерации случайных битовых последовательностей ученые предложили использовать шумы, возникающие в полупроводниковом лазере и связанные со спонтанным излучением. Поскольку спонтанное излучение обусловлено так называемыми нулевыми колебаниями электромагнитного поля, то можно утверждать, что такие шумы в лазере имеют чисто квантовую природу, а поэтому их принципиально невозможно научиться предсказывать и, что самое главное, они оказываются невосприимчивы к любым попыткам «подчинить» их внешнему контролю.

Однако, поскольку непосредственно использовать эти шумы без обычных (классических) измерительных приборов нельзя, то квантовые шумы оказываются «загрязнены» классическими шумами, которые злоумышленник потенциально может использовать для того, чтобы скомпрометировать случайные биты, получаемые с помощью этих шумов.

Рисунок 4. (a) Принципиальная схема квантового генератора случайных чисел: К0, К1 и К2 – высокоскоростные компараторы, ЛД –лазерный диод, V1th и V2th – пороговые напряжения компараторов К1 и К2, соответственно. (б) Результат прохождения статистических тестов NIST для одной из полученных необработанных случайных битовых последовательностей. Для прохождения тестов было наложено условие: 
pValue >= 0,01 / ©Optics Express / Пресс-служба НИТУ «МИСиС»

Ученые из компании QRate и НИТУ «МИСиС» разработали протокол, который позволяет «на лету» оценивать вклад классических шумов и определять таким образом уровень потенциальной угрозы. Более того, предложенный ими протокол позволяет преобразовывать выходную случайную битовую последовательность в «истинно квантовую» без использования сложных алгоритмов постобработки, таких как хэширование, которые обычно применяются для этих целей. По словам разработчиков, их алгоритм уже сейчас можно применять в существующих и проектируемых квантовых генераторах случайных чисел для установок квантовой криптографии.

Центр компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» был создан в 2018 году НИТУ «МИСиС» и Российским квантовым центром. В состав консорциума также вошли Математический институт имени Стеклова, РАНХиГС, ТГУ, а также малые инновационные предприятия, специализирующиеся на квантовых коммуникациях, в том числе компания QRate. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» — российский технический университет; первый вуз в стране, получивший статус «Национального исследовательского технологического университета», лучший вуз России 2019 года по версии Forbes Россия. Сегодня в состав НИТУ «МИСиС» входят 9 институтов и 6 филиалов, 4 из которых работают в России и 2 за рубежом.
Сегодня, 11:36
68 минут
Ольга Иванова

Своими корнями история Армении уходит в глубокую древность и неразрывно связана с историей всего Древнего мира. Но зачастую, зная в деталях историю Рима и Древней Греции, мы в гораздо меньшей степени осведомлены о событиях, происходивших в Античное время в Армении, оказавшейся на перекрестке цивилизаций Запада и Востока. В силу многих причин она не попала в должном объеме в учебники и незнакома тем, кто интересуется историей. Попытаемся хоть немного исправить эту несправедливость.

Позавчера, 10:07
6 минут
Сергей Васильев

Первые сейсмические данные о внутренней структуре Красной планеты показали ее удивительно толстую кору и большое расплавленное ядро.

9 часов назад
5 минут
Илья Ведмеденко

Специалистам «Роскосмоса» удалось запустить основные двигатели нового модуля «Наука». Ранее сообщалось о технических неполадках, возникших после старта.

21 июля
22 минуты
Александр Березин

Существующие континенты движутся к слиянию в один — это лишь вопрос времени, считают большинство исследователей. Группа ученых решила выяснить, что будет с обитаемостью Земли после того, как это слияние завершится. Как оказалось, температура на планете существенно вырастет при любом исходе. Но в случае формирования одного из двух возможных суперконтинентов на суше станет намного холоднее. Если возникнет второй суперконтинент, доля обитаемой твердой поверхности, напротив, возрастет. Почему так получается и что из этого следует?

21 июля
4 минуты
Сергей Васильев

До сих пор было неизвестно, могут ли плоды передавать сигналы материнскому растению, но опыты, поставленные на томатах, показали, что это действительно происходит.

18 июля
5 минут
Илья Ведмеденко

Представлены первые фотографии перспективного российского боевого самолета, премьера которого состоится на грядущем авиасалоне МАКС. Ранее мы уже могли видеть новую машину, однако ее скрывал защитный чехол.

13 июля
5 минут
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
7 минут
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

11 июля
28 минут
Александр Березин

Еще год назад почти все были уверены, что эпидемия быстро закончится. Ведь научные исследования говорили: иммунитет переболевших очень сильный, а повторные заболевания крайне редки. Российские власти все еще верят в это: глава Роспотребнадзора Анна Попова утверждает, будто повторно болеет только 1%. От этого в России до сих пор ждут достижения «группового иммунитета» осенью — и, разумеется, снятия ковидных ограничений. К сожалению, это пустые надежды. Данные из других стран вообще не показывают реальной возможности достичь группового иммунитета за счет переболевших. Разбираемся в деталях.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: