Основы квантовой криптографии
жүктеу/скачать 151,41 Kb.
|
Основы квантовой криптографии
|
Основы квантовой криптографии В современном мире постоянно растущих угроз безопасности и взломов шифрование является распространенным методом, используемым для защиты критически важной информации от попадания в чужие руки. В криптографии шифрование - это процесс кодирования открытого текстового сообщения таким образом, чтобы только авторизованные стороны могли получить к нему доступ. Результатом этого процесса является зашифрованная информация, также известная как зашифрованный текст. Но как именно это делается? Сообщение открытого текста преобразуется с помощью алгоритма (или так называемого шифра), чтобы сделать его нечитаемым для кого-либо, кроме тех, кто обладает специальными знаниями, которые называются ключом. Криптография - это искусство кодирования и декодирования сообщений. Короче говоря, принцип разработки криптографии заключается в том, чтобы сделать передаваемые данные бессмысленными для любой стороны, которая не обязана считывать данные сообщения. Классическая криптография достигает этого, используя распределение ключей, при котором алгоритмы шифрования и дешифрования публично объявляются. Обычная криптография состоит из двух методов: шифрования с секретным ключом и с открытым ключом. Базовая модель криптографии, представлена на рисунке 1. Рисунок 1. Базовая модель криптографии Безопасность криптограммы полностью зависит от секретности ключа. Очевидно, что использование общедоступного канала, независимо от того, какие меры предосторожности принимаются, является гибким. Системы с открытым ключом используют определенные математические операции для шифрования сообщений данных. Хотя системы с открытым ключом позволяют избежать проблемы распределения ключей, связанной с шифрованием с секретным ключом, они основывают свою безопасность на недоказанных математических предположениях о внутренней сложности конкретных операций. Поскольку классическая криптография имеет недостатки, крайне важно иметь системы, которые могут поддерживать требуемые уровни безопасности, чтобы превзойти современные угрозы. Отчасти это связано с тем, что в течение длительного времени использовалась традиционная криптография. Даже когда-то считавшийся непроницаемым протокол Kerberos оказался проницаемым. И поэтому существует острая необходимость во внедрении более совершенных алгоритмов криптоанализа для защиты компьютеров и их пользователей. Сегодня хакер может пассивно перехватить зашифрованное сообщение, отправленное от «Алисы» к «Бобу», и ни один из них не догадается, что их сообщение было скомпрометировано. Хакер может делать это разными способами, в том числе прослушивать оптоволокно, а затем тратить много времени и вычислительных мощностей на взлом кода. Ключи, используемые в современной криптографии, настолько велики, что для взлома стандарта AES-256 потребовалось бы «пятьдесят суперкомпьютеров, которые могли бы проверять миллиард миллиардов (1018) ключей AES в секунду и теоретически потребовалось бы около 3×1051 лет». К счастью, это означает, что сейчас нет непосредственной проблемы, но что нас ждет в будущем, когда современные компьютеры будут заменены квантовыми компьютерами? Ключи, на взлом которых у обычных компьютеров уйдет триллион лет, с квантовыми компьюте-рами можно взломать гораздо быстрее. Самая большая ошибка, связанная с распределением ключей в обычной криптографии, заключается в том, что этот режим безопасности не имеет реальных гарантий контроля. Предполагается, что расшифровка невозможна с неизвестной стороны. Подслушивание просто отсутствует как в шифровании с секретным ключом, так и с открытым ключом. Поэтому невозможно узнать, произошел ли перехват сообщений данных во время передачи. Квантовая криптография хорошо решает эту проблему. Квантовая криптография фокусируется на внедрении новых технологий, которые обеспечат большую устойчивость к вычислительной мощности квантовых компьютеров. Квантовая криптография черпает свою силу в непредсказуемой природе фотонов – мельчайших частиц во Вселенной. Основа квантовой физики определяется принципом неопределенности Гейзенберга (англ. Heisenberg's uncertainty principle), который гласит, что наблюдение за этими частицами каким-либо образом изменяет их поведение. Эти новые технологии квантовой криптографии объединят возмож-ности квантовой физики и передовой математики для обеспечения максималь-ной безопасности. Квантовую криптографию придумали в 1984 году Чарлз Беннет (англ. Charles Henry Bennett) и Жиль Брассар (фр. Gilles Brassard). Они предложили первый протокол квантового распределения ключа - протокол BB84, который использует для кодирования информации четыре квантовых состояния двухуровневой системы, формирующие два сопряженных базиса. Носителями информации являются 2-уровневые системы, называемые кубитами (квантовыми битами). Данный протокол гарантирует, что вмешательство злоумышленника в протокол можно заметить вплоть до тех пор, пока злоумышленник не сможет контролировать и на чтение, и на запись все каналы общения сразу. Понятие объекта, имеющего состояние суперпозиции, не является научной фантастикой с открытиями квантовой механики. Физики доказали это, поняв, что использование битов, которые по своей природе являются двоичными, не может поддерживать основы, предлагаемые квантовыми вычислениями. Биты - это простая система с двумя состояниями, именно отсюда классическая криптография наследует свои проблемы. В квантовых вычислениях кубиты заменяют биты. Кубиты - это фотоны, которые могут иметь несколько значений, таких как «1», «0» & «01». Кубиты - это квантово-механические системы с двумя состояниями, динамические состояния которых либо поляризованы вертикально, либо поляризованы горизонтально. Супер-позиция обоих состояний является основой в квантовых вычислениях. Теперь рассмотрим тот же пример с использованием квантовой криптографии. Поскольку мы знаем, что не можем измерить фотон, не влияя на его поведение, хакер не может остаться незамеченным при прослушивании личного сообщения. После того, как все фотоны будут получены «Бобом», и он и «Алиса» побеседуют о переданном сообщении, возникнут несоответствия, если хакер перехватил сообщение. Если это произойдет, «транзакция» может быть прервана, и новый ключ будет отправлен автоматически. Отправляя несколько квантовых ключей каждую секунду, можно постоянно контроли-ровать безопасность волоконно-оптической линии и мгновенно идентифици-ровать попытки «перехвата» сигнала. Поскольку все более конфиденциальная информация распространяется по волоконно-оптическим сетям, современные средства связи веб-масштаба используют надежные оптические решения шифрования в полете для обеспечения безопасности данных, независимо от того, перемещаются ли они через город, через границы или через океан. По мере приближения эры квантовых вычислений достижения в области исследований и разработок в области криптографии важны для обеспечения того, чтобы мы могли продолжать обеспечивать безопасность критически важных данных и сети, используемой для их транспортировки по всему миру. Возвращаясь к проблеме распределения ключей в классической криптографии, квантовая криптография использует преимущества суперпозиции, изменяя состояние кубита после того, как произошло прослушивание. Принцип неопределенности Гейзенберга или квантовая запутанность привносят в картину эффект наблюдения. Этот принцип гласит, что измерения определенных систем не могут быть выполнены без воздействия на систему. Следовательно, подслушивание свойств фотона невозможно без изменения его состояния. Это жизненно важно, когда речь идет о квантовом распределении ключей, и подчеркивает основу для преодоления классического мониторинга подслушивания распределения ключей или его отсутствия. Ключевым элементом квантовой криптографии, который исследуется для обеспечения безопасной связи, является распределение квантовых ключей. Квантовое распределение ключей использует фотоны для создания и распространения ключа, а не для передачи каких-либо данных сообщения. Затем этот ключ может быть использован с любым выбранным алгоритмом шифрования (например, AES) для шифрования (и дешифрования) сообщения, которое затем может быть передано по стандартному каналу связи. Основным преимуществом квантового распределения ключей в плане безопасности является способность двух взаимодействующих сторон обнару-живать присутствие любой третьей стороны, пытающейся получить информа-цию о ключе. Это возможно как прямой результат квантовой механики, в соответствии с которой процесс измерения квантовой системы в целом нарушает систему, изменяя поведение частиц. Это означает, что хакер, пытаю-щийся подслушать ключ, должен каким-то образом измерить его, тем самым внося аномалии, которые могут быть обнаружены и использованы для предупреждения сторон о том, что ключ был скомпрометирован и не должен использоваться для кодирования информации. Согласно правилу Борна (англ. Born's rule), результат измерения квантового состояния может быть изначально случайным, что означает, что его никогда нельзя предсказать лучше, чем слепое угадывание. Этот ключевой принцип квантовой механики может быть использован путем использования присущей квантовым измерениям случайности для генерации истинных случайных чисел для высокозащищенных криптографических ключей. Эти типы генераторов случайных чисел называются квантовыми генераторами случайных чисел и не являются чем-то новым в отрасли. Еще одной областью квантовой криптографии, которая привлекает внимание, является постквантовая криптография, также называемая квантово-устойчивой или квантово-безопасной криптографией. По сути, это исследо-вания, направленные на разработку новых криптографических алгоритмов, которые были бы защищены от вычислительной мощности как квантовых, так и классических компьютеров. Эти алгоритмы следующего поколения послужат заменой нашим нынешним криптосистемам с открытым ключом, чтобы подготовиться к тому дню, когда крупномасштабные квантовые компьютеры станут реальностью. Подводя итог, следует отметить, что квантовая криптография использует-ся только при производстве и распространении ключа, а не при передаче каких-либо сообщений. Еще одним атрибутом, улучшающим классическое распреде-ление ключей в квантовых вычислениях, является использование квантово-механических свойств кубита. Кубиты нельзя копировать или усиливать, не нарушая их исходного состояния, как в случае с принципом неопределенности Гейзенберга. Это известно как теорема о запрете клонирования. Это микроско-пическое поведение строительных блоков квантовых вычислений, кубитов, позволяет увидеть, что неоспоримые недостатки битов привели к внедрению криптосистем с контрмерами криптоанализа, которые оказались успешными. Квантовая криптография предлагает совершить революцию в применении законов физики вместо математических алгоритмов к вычислительным технологиям. жүктеу/скачать 151,41 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|