Kryptologia kwantowa - bat na hakerów?

Najnowsze badania nad kryptologią kwantową sugerują, że hakerzy nie będą mieli żadnych szans na odczytanie danych zaszyfrowanych tą metodą.

Kryptologia kwantowa to jednak specyficzna technologia i konia z rzędem temu, kto jest w stanie wytłumaczyć w prostych słowach przeciętnemu użytkownikowi komputera, jak ona pracuje. Opowieści takie przypominają bowiem zawsze bardziej żargon używany przez autorów powieści science fiction niż techniczną informację, którą może zrozumieć użytkownik komputera. Właśnie dlatego kryptologia kwantowa budzi obecnie emocje i podczas gdy jedni zachwycają się nią, drudzy ignorują i twierdzą, że są to mrzonki.

Toshiba rozumie np. tę technologię tak: jest to technologia szyfrowania danych, których praktycznie nie da się odczytać i która transmituje je wykorzystując do tego celu łącze optyczne (światłowód) oraz specyficzne nośniki informacji, jakimi są fotony (czyli światło). Według Toshiby dane transmitowane w taki sposób są w stu procentach bezpieczne, ponieważ jakakolwiek próba ich przechwycenia (oraz skopiowania, podsłuchiwania czy podłączenia się do światłowodu) skazana jest na niepowodzenie. Dzieje się tak dlatego, ponieważ każda taka ingerencja zmienia kwantowy stan danych (poprzez zaburzenie na stałe ich zakodowanej postaci) i jest natychmiast wykrywana.

Zobacz również:

  • WhatsApp z dużymi zmianami w obsłudze wideo
  • Ta firma oferuje postkwantowe szyfrowanie danych E2EE

W przypadku tradycyjnych metod szyfrowania danych każdy użytkownik, który zna klucz szyfrowania, można je bez kłopotu odczytać. W przypadku kryptografii kwantowej nie jest to takie proste. Bazuje ona bowiem na fizyce kwantowej, w której obowiązują inne zasady. Kwantowy nośnik informacji – tzw. kubit – ma zupełnie bowiem inną postać niż klasyczny nośnik, jakim jest bit, który może być tylko jedynką lub zerem. W przypadku kubitu wcale tak nie jest - chociaż brzmi to być może niedorzecznie - gdyż w fizyce kwantowej obowiązują inne prawa.

Nośnikiem danych są w fizyce kwantowej pojedyncze fotony, którymi intruz nie może manipulować nie pozostawiając za sobą śladów swojej działalności. Firma Toshiba chwali się, że opracowała najszybszy na świecie, prototypowy system dystrybuowania kwantowych kluczy szyfrowania, których nie da się w żaden sposób odczytać. System jest obecnie testowany i jego twórcy zapowiadają, że pierwsze komercyjne rozwiązania oparte na tej technologii powinny pojawić się na rynku za ok. 5 lat.

Na całym świecie trwają obecnie intensywne prace nad tą technologią kwantowego szyfrowania danych. Największe osiągnięcia mają w tej dziedzinie takie placówki, jak UCLA, MIT, Columbia, Duke, University of Maryland (UM), University of Rochester (UR), University of Glasgow (UG), National Institute of Standards and Technology (NIST), Los Alamos National Laboratory (LANL) oraz Whitewood Encryption Systems (WES).

Splątane fotony

I tak naukowcy pracujący w UCLA odkryli, że fotonami można manipulować. Konkretnie chodzi o to, że dwa fotony tworzące parę można rozdzielić. Aby to zrobić naukowcy oddziaływują na nie na poziomie kwantowym i następnie wykorzystują ich energię oraz właściwości spinu w taki sposób, że są one w stanie przechowywać 32 razy więcej informacji w porównaniu ze standardowymi metodami kwantowego szyfrowania danych.

Naukowcy udowodnili, że są w stanie wygenerować tzw. optyczny grzebień częstotliwości na poziomie pojedynczego fotonu. Powstaje wtedy silnie splątany stan kwantowy, który naukowcy wykorzystują do zaszyfrowania danych w taki sposób, że są one absolutnie bezpieczne. Klucze QKD (Quantum Key Distribution) można wtedy transmitować bez obaw, że zostaną przez kogokolwiek odczytane.

Twórcy rozwiązania wyjaśniają przy tym, że opracowana przez nich technologia nie chroni danych tam, gdzie są stale przechowywane - czyli w systemach pamięci masowej - ale zapewnia im bezpieczeństwo wtedy, gdy są transmitowane z jednego miejsca w drugie. Technologia taka może być z powodzeniem stosowana do ochrony szczególnie ważnych informacji, które są przechowywane w bazach danych (np. medycznych, bankowych czy rządowych), a następnie są z nich pobierane przez zdalnych klientów oraz transmitowane do nich za pośrednictwem łączy komputerowych.

Naukowcy wyjaśniają, że w opracowanym przez nich systemie każdy foton jest nośnikiem pięciu kwantowych bitów (dwa do potęgi piątej, co daje 32 kombinacje). Zapewniają też , że opracowana przez nich technologia szyfrowania danych może być stosowana nie tylko w środowiskach obliczeniowych opartych na komputerach kwantowych, ale również standardowych. Wtedy wymienianych przez nie danych nikt nie będzie w stanie odszyfrować.

Skręcanie światła

Naukowcy zatrudnieni w trzech placówkach (University of Rochester, Duke University i University of Glasgow) pracują wspólnie na inną ciekawą technologią, dzięki której każdy foton będzie nośnikiem jeszcze większej ilości informacji niż ma to miejsce obecnie. Będzie to możliwe za sprawą odpowiednio spolaryzowanych wiązek światła, które będą oddziaływać na foton. W stosowanych obecnie kwantowych systemach naukowcy są w stanie oddziaływać na foton, kierując w jego stronę światło spolaryzowane na cztery sposoby. Może to być orientacja pozioma, pionowa, przekątna i antyprzekątna, a jeden foton może wtedy być nośnikiem jednego kubitu. Naukowcy dołożyli do tych czterech orientacji dwie następne: OAM (Orbital Angular Momentum) i ANG (Azimuthal Angular Position) - dzięki czemu jeden foton może być nośnikiem dwóch kubitów.

Energia cząstki światła zależy zasadniczo od dwóch czynników: od częstotliwości oraz pędu będącego pochodną długości fali światła. Naukowcy oddziaływali na fotony - kodując w ten sposób kubity - odpowiednio skręconym światłem, spolaryzowanym spiralnie zgodnie z orientacjami OAM i ANG.

Używając takiej technologii naukowcy udowodnili, że nowy system może generować i wykrywać informacje z szybkością 4 kHZ, pracując przy tym z dokładnością ok. 93%. Mają też nadzieję, że w przyszłości będą to szybkości rzędu kilku GHZ, a jeden foton będzie wtedy nośnikiem czterech kubitów.

Entropia

Naukowcy z Whitewood Encryption Systems i Los Alamos National Laboratory prowadzą prace nad generatorem liczb losowych (RNG; Random Number Generator). Jest to specyficznego rodzaju silnik entropii (Entropy Engine), który wykorzystuje do generowania liczb stan kwantowych pól.

Silnik wykorzystuje mechanikę kwantową i wspiera technologię czystej entropii. Generuje losowe dane z szybkością 200 Mb/s, odpowiadając przy tym na fundamentalną kwestię z jaką borykają się wszystkie systemy kryptologiczne, jak jest przewidywalność. Plany na przyszłość obejmują włączenie tego źródła losowych danych do wielu aplikacji, w tym tych typu open-source.

W sumie, wszystko to przypomina sytuację z przed ok. 100 lat, gdy Einstein zaprezentował swoja teorię względności. Wówczas wzbudziła ona wiele wątpliwości i krytyki wśród naukowców, a użytkownicy komputerów nie mieli szansy na wyrażenie swojej opinii, bo ich po prostu nie było. Czy techniki kryptologii kwantowej mają szansę na dotarcie do szerszego grona odbiorców?

W celu komercyjnej reprodukcji treści Computerworld należy zakupić licencję. Skontaktuj się z naszym partnerem, YGS Group, pod adresem [email protected]

TOP 200