Квантовая криптография, от теории до экспериментальных линий передач данных

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Национальный исследовательский университет "МИЭТ"

Курсовая работа

По дисциплине: "Квантовая теория и статистическая физика"

На тему: "Квантовая криптография, от теории до экспериментальных линий передач данных"

Выполнил: студент группы ЭКТ-26

Иваненко Евгений Евгеньевич

Проверил: доцент кафедры КФН

Симунин Михаил Максимович

Москва-2015

Аннотация

В данной курсовой работе была рассмотрена квантовая криптография, от теории до экспериментальных линий передач данных

В частности были рассмотрены общие сведения о квантовой криптографии, её история, принцип работы и простейший алгоритм генерации ключа BB84.Изложены её идеи реализации от физических до экспериментальных. Освещена уязвимость реализации квантовой системы и сформулированы перспективы развития.

Мы узнали о возможности передачи зашифрованных данных с помощью квантовой криптографии. Установили уязвимость реализации квантовой системы и возможность использования квантовой криптографии для мобильных устройств.

Содержание

Аннотация

Введение

1. История

2. Первое устройство квантовой криптографии

3. Простейший алгоритм генерации секретного ключа

4. Реализация идеи квантовой криптографии

5. Экспериментальные реализации

6. Квантовая криптография для мобильных устройств

7. Перспективы развития

Список использованной литературы

Введение

Квантовая криптография -- метод защиты коммуникаций, основанный на принципах квантовой физики. В отличие от традиционной криптографии, которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, квантовая криптография сосредоточена на физике, рассматривая случаи, когда информация переносится с помощью объектов квантовой механики. Процесс отправки и приёма информации всегда выполняется физическими средствами, например, при помощи электронов в электрическом токе, или фотонов в линиях волоконно-оптической связи. Подслушивание может рассматриваться как изменение определённых параметров физических объектов -- в данном случае, переносчиков информации.

1. История

Идея использовать квантовые объекты для защиты информации от подделки и несанкционированного доступа впервые была высказана Стефаном Вейснером в 1970 г. Спустя 10 лет ученые Беннет и Брассард, которые были знакомы с работой Вейснера, предложили использовать квантовые объекты для передачи секретного ключа. В 1984 г. они опубликовали статью, в которой описывался протокол квантового распространения ключа ВВ84.

Носителями информации в протоколе ВВ84 являются фотоны, поляризованные под углами 0, 45, 90, 135 градусов.

Позднее идея была развита Экертом в 1991 году. В основе метода квантовой криптографии лежит наблюдение квантовых состояний фотонов. Отправитель задает эти состояния, а получатель их регистрирует. Здесь используется квантовый принцип неопределенности Гейзенберга, когда две квантовые величины не могут быть измерены одновременно с требуемой точностью. Таким образом, если отправитель и получатель не договорились между собой, какой вид поляризации квантов брать за основу, получатель может разрушить посланный отправителем сигнал, не получив никакой полезной информации. Эти особенности поведения квантовых объектов легли в основу протокола квантового распространения ключа.

2. Первое устройство квантовой криптографии

Первая работающая квантово-криптографическая схема была построена в 1989 году в Исследовательском центре компании IBM Беннетом и Брассаром. Данная схема представляла собой квантовый канал, на одном конце которого был передающий аппарат Алисы, на другом принимающий аппарат Боба. Оба аппарата размещены на оптической скамье длиной около 1 м, в светонепроницаемом кожухе размерами 1,5 Ч 0,5 Ч 0,5 м. Управление происходило с помощью компьютера, в который были загружены программные представления легальных пользователей и злоумышленника.

Сохранность тайны передаваемых данных напрямую зависит от интенсивности вспышек света, используемых для передачи. Слабые вспышки, хоть и делают трудным перехват сообщений, все же приводят к росту числа ошибок у легального пользователя, при измерении правильной поляризации. Повышение интенсивности вспышек значительно упрощает перехват путем расщепления начального одиночного фотона (или пучка света) на два: первого по-прежнему направленному легальному пользователю, а второго анализируемого злоумышленником. Легальные пользователи могут исправлять ошибки с помощью специальных кодов, обсуждая по открытому каналу результаты кодирования.

Но всё-таки при этом часть информации попадает к криптоаналитику. Тем не менее, легальные пользователи Алиса и Боб, изучая количество выявленных и исправленных ошибок, а также интенсивность вспышек света, могут дать оценку количеству информации, попавшей к злоумышленнику.

Рис.1 Первая квантово-криптографическая схема. Система состоит из квантового канала и специального оборудования на обоих концах схемы.

3. Простейший алгоритм генерации секретного ключа

Каждый из импульсов случайным образом поляризован в одном из четырех направлений: | -- \ /. Например, Алиса посылает: -- / \ | \ -- |.

Боб настраивает свой детектор произвольным образом на измерение серии либо диагонально, либо ортогонально поляризованных импульсов (мерить одновременно и те и другие нельзя): X X + X X + +.

В тех случаях, где Боб угадал поляризацию, он получит правильный результат (такую же поляризацию, какую посылала Алиса). В остальных случаях результат будет случайным.

Боб и Алиса по открытому каналу сообщают друг другу использованные типы поляризаций (диагональная или ортогональная). Оставляют только правильно измеренные.

В нашем примере Боб угадал поляризацию 2-го, 5-го, 6-го и 7-го импульсов. Таким образом, остаются: \ \ -- |.

По заранее оговоренным условиям эти результаты превращаются в последовательность битов (например, 0° и 45° принимаются за единицу, 90° и ?45° -- за ноль, в приведённом выше примере получится 0010).

Перехват сообщения-ключа Боб и Алиса могут обнаружить посредством контроля ошибок, сверив случайно выбранные из сообщения биты. Несовпадения указывают на перехват сообщения, тогда ключ изменяется, то есть передается повторно.

Если расхождений нет, то биты, использованные для сравнения, отбрасываются, ключ принимается. С вероятностью 1 - 2-k (где k -- число сравненных битов) канал не прослушивался.

Впрочем, если недоброжелатель может не только прослушивать основной канал Алиса->Боб, но и может фальсифицировать работу открытого канала Боб->Алиса, то вся схема рушится. (Man-In-The-Middle)

Описанный алгоритм носит название протокола квантового распределения ключа BB84. В нем информация кодируется в ортогональные квантовые состояния. Помимо использования ортогональных состояний для кодирования информации, можно использовать и неортогональные состояния (например протокол B92).

4. Реализация идеи квантовой криптографии

Схема практической реализации квантовой криптографии показана на рисунке. Передающая сторона находится слева, а принимающая - справа. Ячейки Покеля необходимы для импульсной вариации поляризации потока квантов передатчиком и для анализа импульсов поляризации приемником. Передатчик может формировать одно из четырех состояний поляризации. Передаваемые данные поступают в виде управляющих сигналов на эти ячейки. В качестве канала передачи данных может быть использовано оптоволокно. В качестве первичного источника света можно использовать и лазер.

Рис.2 Практическая схема реализации идеи квантовой криптографии

На принимающей стороне после ячейки Покеля установлена кальцитовая призма, которая расщепляет пучок на два фотодетектора (ФЭУ), измеряющие две ортогональные составляющие поляризации. При формировании передаваемых импульсов квантов возникает проблема их интенсивности, которую необходимо решать. Если квантов в импульсе 1000, есть вероятность, что 100 квантов по пути будет отведено злоумышленником на свой приемник. В последующем, анализируя открытые переговоры между передающей и принимающей стороной, он может получить нужную ему информацию. Поэтому в идеале число квантов в импульсе должно быть около одного. В этом случае любая попытка отвода части квантов злоумышленником приведет к существенному изменению всей системы в целом и, как следствие, росту числа ошибок у принимающей стороны. В подобной ситуации принятые данные должны быть отброшены, а попытка передачи повторена. Но, делая канал более устойчивым к перехвату, специалисты сталкиваются с проблемой "темнового" шума (получение сигнала, который не был отправлен передающей стороной, принимающей стороной) приемника, чувствительность которого повышена до максимума. Для того, чтобы обеспечить надежную передачу данных, логическому нулю и единице могут соответствовать определенные последовательности состояний, допускающие коррекцию одинарных и даже кратных ошибок.

Дальнейшего повышения отказоустойчивости квантовой криптосистемы можно достичь, используя эффект EPR, который возникает, когда сферически симметричный атом излучает два фотона в противоположных направлениях в сторону двух наблюдателей. Фотоны излучаются с неопределенной поляризацией, но в силу симметрии их поляризации всегда противоположны. Важной особенностью этого эффекта является то, что поляризация фотонов становится известной только после измерения. Экерт предложил криптосхему на основе эффекта EPR, которая гарантирует безопасность пересылки и хранения ключа. Отправитель генерирует некоторое количество EPR фотонных пар. Один фотон из каждой пары он оставляет для себя, второй посылает своему партнеру. При этом, если эффективность регистрации близка к единице, при получении отправителем значения поляризации 1, его партнер зарегистрирует значение 0 и наоборот. Таким образом партнеры всякий раз, когда требуется, могут получить идентичные псевдослучайные кодовые последовательности. Практически реализация данной схемы проблематична из-за низкой эффективности регистрации и измерения поляризации одиночного фотона.

5. Экспериментальные реализации

Американские эксперименты. Еще сравнительно недавно метод квантового распространения ключа воспринимался как научная фантастика. Но в 1989 г. в Уотсоновском исследовательском центре IBM группой ученых под руководством Чарльза Беннета и Джила Брасарда была построена первая система экспериментально-практической реализации протокола ВВ84. Эта система позволила двум пользователям обмениваться секретным ключом со скоростью передачи данных 10 бит/с на расстоянии 30 см.

Позже идея получила развитие в Национальной лаборатории Лос-Аламоса в эксперименте по распространению ключа по оптоволоконному кабелю на расстояние 48 км. При передаче сигнала в воздушной среде расстояние составило 1 км. Разработан план эксперимента по передаче квантового сигнала на спутник. Если этот эксперимент увенчается успехом, можно надеяться, что технология вскоре станет широко доступной.

Квантово-криптографические исследования развиваются быстрыми темпами. В ближайшем будущем методы защиты информации на основе квантовой информации будут использоваться в первую очередь в сверхсекретных военных и коммерческих приложениях.

Эксперимент Toshiba. 23 июня 2015 года компания Toshiba сообщила о начале подготовки к выводу на рынок не взламываемой системы шифрования.

По мнению разработчиков новой технологии, лучший способ защитить информацию в сети - использовать одноразовые ключи для дешифрования. Проблема в безопасной передаче самого ключа.

Квантовая криптография для этого использует законы физики, в отличие от привычных методов, основанных на математических алгоритмах. Ключ в системе, созданной Toshiba, передается в форме фотонов, сгенерированных лазером - световые частицы доставляются по специальному оптоволоконному кабелю, не подключенному к интернету. Природа фотонов такова, что любые попытки перехвата данных изменяют эти данные и это немедленно детектируется, а поскольку одноразовый ключ должен иметь размер, идентичный зашифрованным данным, исключается повторное применение одного и того же шаблона, что делает декодирование без правильного ключа невозможным.

Toshiba начала исследования в сфере технологий квантовой криптографии в 2003 году. Свою первую систему компания представила в октябре 2013 года, а в 2014 году в компании добились стабильной передачи квантовых ключей по стандартному оптоволокну в течение 34 дней.

При всех своих принципиальных достоинствах этому методу свойственны значительные базовые ограничения: вследствие затухания светового сигнала, передача фотонов (без репитера) возможна на расстояние не более 100 км. Фотоны чувствительны к вибрации и высоким температурам, это также осложняет их передачу на большие расстояния. А для внедрения технологии требуется оборудование, где один сервер стоит около $81 тыс. годунов лжедмитрий земский ополчение

По состоянию на 24 июня 2015 года Toshiba не отказывается от планов запуска долгосрочного тестирования системы для верификации метода. В ходе тестирования, оно начнется 31 августа 2015 года, зашифрованные результаты анализа генома, полученные в Toshiba Life Science Analysis Center, будут передаваться в Tohoku Medical Megabank (при университете Tohoku), на расстояние примерно 7 км. Программа рассчитана на два года, до августа 2017 года. В ходе исследования будут контролироваться стабильность скорости передачи при длительной работе системы, влияние условий окружающей среды, включая погоду, температура и состояние оптического соединения.

Если эксперимент завершится успешно, коммерческое использование технологии станет возможно через несколько лет. К 2020 году компания предполагает начать предоставление услуг государственным организациям и крупным предприятиям. С удешевлением технологии, сервис придет и к частным пользователям.

Уязвимость реализаций квантовой системы. В 2010 году учёные успешно опробовали один из возможных способов атаки, показав принципиальную уязвимость двух реализаций криптографических систем, разработанных компаниями ID Quantique и MagiQ Technologies. И уже в 2011 году работоспособность метода была проверена в реальных условиях эксплуатации, на развёрнутой в Национальном университете Сингапура системе распространения ключей, которая связывает разные здания отрезком оптоволокна длиной в 290 м.

В эксперименте использовалась физическая уязвимость четырёх однофотонных детекторов (лавинных фотодиодов), установленных на стороне получателя (Боба). При нормальной работе фотодиода приход фотона вызывает образование электронно-дырочной пары, после чего возникает лавина, а результирующий выброс тока регистрируется компаратором и формирователем импульсов. Лавинный ток «подпитывается» зарядом, хранимым небольшой ёмкостью (? 1,2 пФ), и схеме, обнаружившей одиночный фотон, требуется некоторое время на восстановление (~ 1 мкс).

Если на фотодиод подавать такой поток излучения, когда полная перезарядка в коротких промежутках между отдельными фотонами будет невозможна, амплитуда импульса от одиночных квантов света может оказаться ниже порога срабатывания компаратора.

В условиях постоянной засветки лавинные фотодиоды переходят в «классический» режим работы и выдают фототок, пропорциональный мощности падающего излучения. Поступление на такой фотодиод светового импульса с достаточно большой мощностью, превышающей некое пороговое значение, вызовет выброс тока, имитирующий сигнал от одиночного фотона. Это и позволяет криптоаналитику (Еве) манипулировать результатами измерений, выполненных Бобом: она «ослепляет» все его детекторы с помощью лазерного диода, который работает в непрерывном режиме и испускает свет с круговой поляризацией, и по мере надобности добавляет к этому линейно поляризованные импульсы. При использовании четырёх разных лазерных диодов, отвечающих за все возможные типы поляризации (вертикальную, горизонтальную, ±45?), Ева может искусственно генерировать сигнал в любом выбранном ею детекторе Боба.

Опыты показали, что схема взлома работает очень надёжно и даёт Еве прекрасную возможность получить точную копию ключа, переданного Бобу. Частота появления ошибок, обусловленных неидеальными параметрами оборудования, оставалась на уровне, который считается «безопасным».

Однако, устранить такую уязвимость системы распространения ключей довольно легко. Можно, к примеру, установить перед детекторами Боба источник одиночных фотонов и, включая его в случайные моменты времени, проверять, реагируют ли лавинные фотодиоды на отдельные кванты света.

6. Квантовая криптография для мобильных устройств

Квантовая криптография -- чрезвычайно надежный в теории метод защиты каналов связи от подслушивания, однако на практике реализовать его пока довольно трудно. На обоих концах канала должна быть установлена сложная аппаратура -- источники одиночных фотонов, средства управления поляризацией фотонов и чувствительные детекторы. При этом для измерения угла поляризации фотонов необходимо точно знать, как ориентировано оборудование на обоих концах канала. Из-за этого квантовая криптография не подходит для мобильных устройств.

Ученые из Бристольского университета предложили схему, при которой сложное оборудование необходимо только одному участнику переговоров. Второй лишь модифицирует состояние фотонов, кодируя этим информацию, и отправляет их обратно. Аппаратуру для этого можно разместить в карманном устройстве. Авторы предлагают и решение проблемы ориентации оборудования. Измерения производятся в случайных направлениях. Список направлений может быть опубликован открыто, но при расшифровке будут учитываться только совпадающие направления. Авторы называют метод «независимым от системы отсчета квантовым распределением ключей»: rfiQKD.

7. Перспективы развития

Сейчас одним из самых важных достижений в области квантовой криптографии является то, что ученые смогли показать возможность передачи данных по квантовому каналу со скоростью до единиц Мбит/с. Это стало возможно благодаря технологии разделения каналов связи по длинам волн и их единовременного использования в общей среде. Что кстати позволяет одновременное использование как открытого, так и закрытого канала связи. Сейчас в одном оптическом волокне возможно создать около 50 каналов. Экспериментальные данные позволяют сделать прогноз на достижение лучших параметров в будущем:

1)достижение скорости передачи данных по квантовому каналу связи в 50 Мбит/с, при этом единовременные ошибки не должны будут превышать 4 %;

2)создание квантового канала связи длиной более 100 км;

3)организация десятков подканалов при разделении по длинам волн.

На данном этапе квантовая криптография только приближается к практическому уровню использования. Диапазон разработчиков новых технологий квантовой криптографии охватывает не только крупнейшие мировые институты, но и маленькие компании, только начинающие свою деятельность. И все они уже способны вывести свои проекты из лабораторий на рынок. Все это позволяет сказать, что рынок находится на начальной стадии формирования, когда в нём могут быть на равных представлены и те и другие.

Список использованной литературы

*Килин С. Я., Хорошко Д. Б., Низовцев А. П. «Квантовая криптография: идеи и практика»;

*Килин С. Я. «Квантовая информация / Успехи Физических Наук.» ;

*Robert Malaney . «Технологии, основанные на принципе ULV (unconditional location verification)» ;

*Computerworld Россия , № 37, 2007 ;

*Красавин В. «Квантовая криптография».

*Румянцев К.Е., Плёнкин А.П. Экспериментальные испытания телекоммуникационной сети с интегрированной системой квантового распределения ключей // Телекоммуникации. 2014. № 10. С. 11 ? 16.

*Плёнкин А.П. Использование квантовых ключей для шифрования сетевого соединения // Десятая ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН: Тезисы докладов (г. Ростов-на-Дону, 14 ? 29 апреля 2014 г.). - Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2014.

*Плёнкин А.П. Использование квантового ключа для защиты телекоммуникационной сети // Технические науки - от теории к практике. 2013. № 28.

*Румянцев К.Е., Плёнкин А.П., Синхронизация системы квантового распределения ключа в режиме однофотонной регистрации импульсов для повышения защищенности. // Радиотехника. . - 2015. - № 2.

Размещено на Allbest.ru