VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

ВВЕДЕНИЕ

Криптография — это искусство скрытия информации в последовательности битов от любого несанкционированного доступа. Для достижения этой цели используют шифрование: сообщение с помощью некоторого алгоритма комбинируется с дополнительной секретной информацией (ключом), в результате чего получается криптограмма. Долгое время способы разработки алгоритмов шифрования определялись исключительно хитростью и изобретательностью их авторов. И лишь в ХХ веке этой областью заинтересовались математики, а впоследствии — и физики, что и привело к появлению квантовой криптографии.

Квантовая криптография — метод защиты коммуникаций, основанный на определенных явлениях квантовой физики. В отличие от традиционной криптографии, котораяиспользует математические методы, чтобыобеспечить секретность информации, квантовая криптография сосредоточенана физике, рассматривая случаи, когдаинформация переносится с помощьюобъектов квантовой механики. Процессотправки и приёма информации всегда выполняется физическими средствами, например при помощи электронов вэлектрическом токе, или фотоновв линиях волоконно-оптической связи. А подслушивание может рассматриваться, как измерение определённых параметров физических объектов — в нашемслучае, переносчиков информации.

Базовые принципы квантовой криптографии

Первый протокол квантовой криптографии (BB84) был предложен и опубликован в 1984 году Беннетом и Брассардом. 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, когда две квантовые величины не могут быть измерены одновременно с требуемой точностью. Так поляризация фотонов может быть ортогональной диагональной или циркулярной. Измерение одного вида поляризации рэндомизует другую составляющую. Таким образом, если отправитель и получатель не договорились между собой, какой вид поляризации брать за основу, получатель может разрушить посланный отправителем сигнал, не получив никакой полезной информации.

Отправитель кодирует отправляемые данные, задавая определенные квантовые состояния, получатель регистрирует эти состояния. Затем получатель и отправитель совместно обсуждают результаты наблюдений. В конечном итоге со сколь угодно высокой достоверностью можно быть уверенным, что переданная и принятая кодовые последовательности тождественны. Обсуждение результатов касается ошибок, внесенных шумами или злоумышленником, и ни в малейшей мере не раскрывает содержимого переданного сообщения. Может обсуждаться четность сообщения, но не отдельные биты. При передаче данных контролируется поляризация фотонов. Поляризация может быть ортогональной (горизонтальной или вертикальной), циркулярной (левой или правой) и диагональной (45 или 1350).

В качестве источника света может использоваться светоизлучающий диод или лазер. Свет фильтруется, поляризуется и формируется в виде коротких импульсов малой интенсивности. Поляризация каждого импульса модулируется отправителем произвольным образом в соответствии с одним из четырех перечисленных состояний (горизонтальная, вертикальная, лево- или право-циркулярная).

Получатель измеряет поляризацию фотонов, используя произвольную последовательность базовых состояний (ортогональная или циркулярная). Получатель открыто сообщает отправителю, какую последовательность базовых состояний он использовал. Отправитель открыто уведомляет получателя о том, какие базовые состояния использованы корректно. Все измерения, выполненные при неверных базовых состояниях, отбрасываются. Измерения интерпретируются согласно двоичной схеме: лево-циркулярная поляризация или горизонтальная - 0, право-циркулярная или вертикальная - 1. Реализация протокола осложняется присутствием шума, который может вызвать ошибки. Вносимые ошибки могут быть обнаружены и устранены с помощью подсчета четности, при этом один бит из каждого блока отбрасывается. Беннет в 1991 году предложил следующий протокол.

Квантовое распространение ключа

Состояние квантового объекта (то есть, грубо говоря, объекта очень малой массы и размеров, например, электрона или фотона) может быть определено измерением. Однако сразу после выполнения этого измерения квантовый объект неизбежно переходит в другое состояние, причем предсказать это состояние невозможно. Следовательно, если в качестве носителей информации использовать квантовые частицы, то попытка перехватить сообщение приведет к изменению состояния частиц, что позволит обнаружить нарушение секретности передачи. Кроме того, невозможно получить полную информацию о квантовом объекте, и следовательно, невозможно его скопировать. Эти свойства квантовых объектов делают их «неуловимыми».

Идея использовать квантовые объекты для защиты информации от подделки и несанкционированного доступа впервые была высказана Стефаном Вейснером (Stephen Weisner) в 1970 г. Спустя 10 лет 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. В соответствии с законами квантовой физики, с помощью измерения можно различить лишь два ортогональных состояния: если известно, что фотон поляризован либо вертикально, либо горизонтально, то путем измерения, можно установить — как именно; то же самое можно утверждать относительно поляризации под углами 45 и 135 градусв. Однако с достоверностью отличить вертикально поляризованный фотон от фотона, поляризованного под углом 45?, невозможно.

Эти особенности поведения квантовых объектов легли в основу протокола квантового распространения ключа. Чтобы обменяться ключом, Алиса и Боб предпринимают следующие действия:

Алиса посылает Бобу фотон в одном из поляризованных состояний (0, 45, 90, 135 градусов) и записывает угол поляризации. Отсчет углов ведется от направления "вертикально вверх" по часовой стрелке. В реальных же системах перед процессом передачи ключа оборудование специально юстируется для обеспечения одинакового режима отсчета на приемнике и передатчике (причем эту юстировку приходится проводить периодически в процессе передачи), а "пространственное расположение" начала отсчета угла -- несущественно.

Боб располагает двумя анализаторами: один распознает вертикально-горизонтальную поляризацию, другой — диагональную. Для каждого фотона Боб случайно выбирает один из анализаторов и записывает тип анализатора и результат измерений.

По общедоступному каналу связи Боб сообщает Алисе, какие анализаторы использовались, но не сообщает, какие результаты были получены.

Алиса по общедоступному каналу связи сообщает Бобу, какие анализаторы он выбрал правильно. Те фотоны, для которых Боб неверно выбрал анализатор, отбрасываются.

Экспериментальная реализация

Не так давно метод квантового распространения ключа воспринимался как научная фантастика. Но в 1989 г. в Уотсоновском исследовательском центре IBM Чарльзом Беннетом, Джилом Брасардом и их студентами была построена первая система, реализующая протокол ВВ84. Она позволяла «Алисе» и «Бобу» обмениваться секретным ключом со скоростью 10 бит/с на расстоянии 30 см. Это был небольшой шаг для Алисы и Боба, но большой шаг в развитии квантовой криптографии!

Позже эту идею реализовала Национальная лаборатория в Лос-Аламосе в эксперименте по распространению ключа в оптоволоконном кабеле на расстояние 48 км. В качестве среды передачи сигнала использовался и открытый воздух, расстояние передачи, в котором составляло около 1 км. Разработан план эксперимента по передаче квантового сигнала на спутник. Если этот эксперимент увенчается успехом, можно надеяться, что технология вскоре станет широко доступной.

В квантово-криптографических исследованиях прогресс идет быстрыми темпами. В ближайшем будущем квантово-криптографические методы защиты информации будут использоваться сверхсекретных военных и коммерческих приложениях, которые... Однако «честность, стоявшая за моим писательским креслом, останавливает разбежавшуюся руку: «Товарищ, здесь ты начинаешь врать, остановисьпоживем, увидим. Поставь точку» (А.Н. Толстой, «Ибикус, или Похождения Невзорова»).

Заключение

В заключение хотелось бы сказать, чтопоследние разработки в областиквантовой криптографии позволяютсоздавать системы, обеспечивающие практически 100%-ю защиту ключа иключевой информации. Используются вселучшие достижения по защите информации как из классической криптографии, так и из новейшей "квантовой" области, что позволяет получать результаты, превосходящие все известныекриптографические системы. Можнопредположить, что в ближайшем будущем вся криптографическая защита информации и распределение ключей будут базироваться на квантово-криптографических системах.

Список литературы

1. С.Н.Молотков.“Обинтегрированииквантовыхсистемзасекреченнойсвязи (квантовой криптографии) в оптоволоконные телекоммуникационные системы” // Письма в ЖЭТФ, Том 79, Выпуск 11.С.67-75.

2. К.Е.Румянцев,И.Е.Хайров, “Эффективностьволоконно-оптическойсистемы передачи информации” // Научно-практическийжурнал«Информационное противодействие угрозам терроризма», 2004, N. 2,С..50-52.

3. S. Wiesner, "Conjugate coding" // Sigact News. 1983. V. 15. P. 78-88

4. Д.М. Голубчиков.“Анализвозможностииспользованияквантовогоусилителя для съема информации с квантового канала распределения ключа и методы его обнаружения”//Информационныесистемыитехнологии2007:Материалы Всероссийскойнаучно-техническойконференциистудентов,аспирантови молодых специалистов. Обнинск. 2007.

.