Τι είναι η κβαντική κρυπτογραφία;
Η κβαντική κρυπτογραφία, γνωστή και ως κβαντική κρυπτογράφηση, αναφέρεται σε διάφορες μεθόδους κυβερνοασφάλειας για την κρυπτογράφηση και τη μετάδοση ασφαλών δεδομένων. Αυτές οι μέθοδοι βασίζονται στους φυσικά υπάρχοντες και αμετάβλητους νόμους της κβαντομηχανικής.
Ενώ βρίσκεται ακόμη στα αρχικά της στάδια, η κβαντική κρυπτογράφηση έχει τη δυνατότητα να είναι πολύ πιο ασφαλής από τους προηγούμενους τύπους κρυπτογραφικών αλγορίθμων και είναι ακόμη και θεωρητικά μη χακαρισμένη.
Σε αντίθεση με την παραδοσιακή κρυπτογραφία, η οποία βασίζεται στα μαθηματικά, η κβαντική κρυπτογραφία βασίζεται στους νόμους της φυσικής. Συγκεκριμένα, η κβαντική κρυπτογραφία βασίζεται στις μοναδικές αρχές της κβαντομηχανικής:
-
Τα σωματίδια είναι εγγενώς αβέβαια: Σε κβαντικό επίπεδο, τα σωματίδια μπορούν να υπάρχουν ταυτόχρονα σε περισσότερα από ένα μέρη ή σε περισσότερες από μία καταστάσεις ύπαρξης ταυτόχρονα. Και είναι αδύνατο να προβλεφθεί η ακριβής κβαντική τους κατάσταση.
-
Τα φωτόνια μπορούν να μετρηθούν τυχαία σε δυαδικές θέσεις: Τα φωτόνια, τα μικρότερα σωματίδια φωτός, μπορούν να ρυθμιστούν ώστε να έχουν συγκεκριμένες πολικότητες ή σπιν, οι οποίες μπορούν να χρησιμεύσουν ως δυαδικό αντίστοιχο για τα μονά και τα μηδενικά των κλασικών υπολογιστικών συστημάτων.
-
Ένα κβαντικό σύστημα δεν μπορεί να μετρηθεί χωρίς να τροποποιηθεί: Σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής φυσικής, η βασική πράξη της μέτρησης ή ακόμα και της παρατήρησης ενός κβαντικού συστήματος θα έχει πάντα μια μετρήσιμη επίδραση σε αυτό το σύστημα.
-
Τα σωματίδια μπορούν να κλωνοποιηθούν μερικώς, αλλά όχι πλήρως: Ενώ οι ιδιότητες ορισμένων σωματιδίων μπορούν να κλωνοποιηθούν, ένας 100% κλώνος πιστεύεται ότι είναι αδύνατος.
Γιατί είναι σημαντική η κβαντική κρυπτογραφία;
Μέχρι σήμερα, η παραδοσιακή κρυπτογράφηση δεδομένων ήταν επαρκής για τη διατήρηση ασφαλών επικοινωνιών στα περισσότερα περιβάλλοντα κυβερνοασφάλειας . Ωστόσο, η άνοδος της κβαντικής υπολογιστικής αποτελεί υπαρξιακή απειλή ακόμη και για τους πιο ασφαλείς παραδοσιακούς κρυπτογραφικούς αλγόριθμους.
Όπως και η κβαντική κρυπτογραφία, η κβαντική υπολογιστική είναι μια ταχέως αναδυόμενη τεχνολογία που αξιοποιεί επίσης τους νόμους της κβαντομηχανικής. Σε σύγκριση με τους ταχύτερους και πιο προηγμένους κλασικούς υπολογιστές μας, οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν τη δυνατότητα να λύνουν πολύπλοκα προβλήματα τάξεις μεγέθους ταχύτερα.
Ο μαθηματικός Peter Shor περιέγραψε για πρώτη φορά την απειλή που θέτουν οι κβαντικοί υπολογιστές στα παραδοσιακά συστήματα ασφαλείας το 1994. Τα σημερινά κρυπτοσυστήματα μπορούν να χωριστούν σε δύο κύριες κατηγορίες: τα συμμετρικά συστήματα, τα οποία χρησιμοποιούν ένα μυστικό κλειδί για την κρυπτογράφηση και την αποκρυπτογράφηση δεδομένων. Και τα ασύμμετρα συστήματα, τα οποία χρησιμοποιούν ένα δημόσιο κλειδί που μπορεί να διαβάσει ο καθένας και ιδιωτικά κλειδιά στα οποία έχουν πρόσβαση μόνο εξουσιοδοτημένα μέρη.
Και οι δύο τύποι κρυπτοσυστημάτων δημιουργούν αυτά τα κλειδιά πολλαπλασιάζοντας μεγάλους πρώτους αριθμούς. Βασίζονται σε τεράστια υπολογιστική ισχύ για την παραγοντοποίηση μεγάλων αριθμών, διασφαλίζοντας ότι οι κρυπτοκρυπτογράφοι ή οι χάκερ δεν μπορούν να σπάσουν αυτά τα κλειδιά κρυπτογράφησης.
Ακόμα και οι πιο ισχυροί υπερυπολογιστές στη γη θα χρειάζονταν χιλιάδες χρόνια για να «σπάσουν» μαθηματικά τους σύγχρονους αλγόριθμους κρυπτογράφησης, όπως ο αλγόριθμος Advanced Encryption Standard (AES) ή Rivest-Shamir-Adleman (RSA).
Σύμφωνα με τον Αλγόριθμο του Shor, η παραγοντοποίηση ενός μεγάλου αριθμού σε έναν κλασικό υπολογιστή θα απαιτούσε τόσο μεγάλη υπολογιστική ισχύ που ένας χάκερ θα χρειαζόταν πολλές ζωές πριν καν το πλησιάσει. Αλλά ένας πλήρως λειτουργικός κβαντικός υπολογιστής —αν τελειοποιηθεί— θα μπορούσε ενδεχομένως να βρει τη λύση σε λίγα μόνο λεπτά.
Για αυτόν τον λόγο, οι περιπτώσεις χρήσης για την κβαντική κρυπτογραφία είναι τόσο ατελείωτες όσο και οι περιπτώσεις χρήσης για οποιαδήποτε μορφή κρυπτογραφίας. Αν οτιδήποτε, από εταιρικές πληροφορίες έως κρατικά μυστικά, πρέπει να διατηρείται ασφαλές, όταν η κβαντική υπολογιστική καθιστά τους υπάρχοντες κρυπτογραφικούς αλγόριθμους παρωχημένους, η κβαντική κρυπτογραφία μπορεί να είναι η μόνη μας διέξοδος για την ασφάλεια των ιδιωτικών δεδομένων.
Καθώς οι επιστήμονες υπολογιστών σε όλο τον κόσμο εργάζονται μέρα νύχτα για να αναπτύξουν πρακτική κβαντική τεχνολογία, είναι κρίσιμο να αναπτύξουμε και νέες μορφές κρυπτογραφίας για να προετοιμαστούμε για την κβαντική εποχή της πληροφορικής. Αν και οι κβαντικοί υπολογιστές κάποτε θεωρούνταν μόνο θεωρητικοί, οι ειδικοί εκτιμούν ότι μπορεί να απέχουμε μόνο 20-50 χρόνια από την πλήρη είσοδο στην κβαντική εποχή.
Τύποι κβαντικής κρυπτογραφίας
Κατανομή κβαντικού κλειδιού (QKD)
Αρχικά διατυπωμένη θεωρία το 1984 από τον Charles H. Bennett (του Ερευνητικού Κέντρου Thomas J. Watson της IBM) και τον Gilles Brassard, η κβαντική κατανομή κλειδιού (QKD) είναι ο πιο συνηθισμένος τύπος κβαντικής κρυπτογραφίας. Τα συστήματα QKD δεν χρησιμοποιούνται συνήθως για την κρυπτογράφηση των ίδιων των ασφαλών δεδομένων. Αντίθετα, διευκολύνουν μια ασφαλή ανταλλαγή κλειδιών μεταξύ δύο μερών για τη συνεργασία στη δημιουργία ενός κοινόχρηστου ιδιωτικού κλειδιού για χρήση με τις παραδοσιακές συμμετρικές μεθόδους κρυπτογράφησης.
Τα συστήματα QKD λειτουργούν στέλνοντας μεμονωμένα σωματίδια φωτός φωτονίων μέσω ενός καλωδίου οπτικών ινών. Αυτή η ροή φωτονίων ταξιδεύει προς μία μόνο κατεύθυνση και το καθένα αντιπροσωπεύει ένα μόνο bit ή qubit δεδομένων - είτε μηδέν είτε ένα.
Τα πολωμένα φίλτρα στην πλευρά του αποστολέα αλλάζουν τον φυσικό προσανατολισμό κάθε μεμονωμένου φωτονίου σε μια συγκεκριμένη θέση. Ο δέκτης χρησιμοποιεί δύο διαθέσιμους διαχωριστές δέσμης για να διαβάσει τη θέση κάθε φωτονίου καθώς λαμβάνεται. Ο αποστολέας και ο δέκτης συγκρίνουν τις θέσεις των απεσταλμένων φωτονίων με τις αποκωδικοποιημένες θέσεις και το σύνολο που ταιριάζει γίνεται το κλειδί.
Για να κατανοήσετε καλύτερα την QKD, φανταστείτε δύο άτομα, την Μαρία και τον Γιάννη, που πρέπει να δημιουργήσουν μια ασφαλή σύνδεση. Μπορούν να χρησιμοποιήσουν την QKD για να δημιουργήσουν ένα ασφαλές κρυπτογραφικό κλειδί στέλνοντας πολωμένα φωτόνια μέσω ενός καλωδίου οπτικών ινών.
Το καλώδιο δεν χρειάζεται να ασφαλιστεί, επειδή κάθε φωτόνιο θα έχει τη δική του τυχαία κβαντική κατάσταση. Εάν κάποιος κρυφακούει, τον οποίο θα ονομάσουμε Εύα, επιχειρήσει να υποκλέψει την επικοινωνία, η Μαρία και ο Γιάννης θα είναι πάντα σε θέση να ανιχνεύσουν την παρουσία της. Αυτή η αρχή βασίζεται στο γεγονός ότι είναι αδύνατο να παρατηρηθεί μια κβαντική κατάσταση χωρίς να τροποποιηθεί ταυτόχρονα.
Με αυτόν τον τρόπο, τα συστήματα QKD θεωρούνται μη χακαρισμένα. Εάν ο Γιάννης και η Μαρία ανιχνεύσουν μια αλλαγή στις κβαντικές καταστάσεις των φωτονίων, θα γνωρίζουν ότι η Εύα κρυφακούει. Και αν η Εύα κρυφακούει, ο Γιάννης και η Μαρία θα είναι πάντα σε θέση να την ανιχνεύσουν.
Παρόλο που τα οφέλη της QKD έχουν αποδειχθεί τόσο σε εργαστηριακό όσο και σε επιτόπιο περιβάλλον, υπάρχουν πολλές πρακτικές προκλήσεις που εμποδίζουν την ευρεία υιοθέτησή της, κυρίως οι απαιτήσεις υποδομής. Τα φωτόνια που αποστέλλονται μέσω καλωδίων οπτικών ινών αποικοδομούνται σε αποστάσεις περίπου 248-310 μιλίων. Ωστόσο, οι πρόσφατες εξελίξεις έχουν επεκτείνει το εύρος ορισμένων συστημάτων QKD σε όλες τις ηπείρους χρησιμοποιώντας ασφαλείς κόμβους και επαναλήπτες φωτονίων.
Κβαντική ρίψη νομισμάτων
Η κβαντική αναστροφή νομισμάτων είναι ένας τύπος κρυπτογραφικού πρωτόγονου (κάτι σαν δομικό στοιχείο για αλγόριθμους) που επιτρέπει σε δύο μέρη που δεν εμπιστεύονται το ένα το άλλο να συμφωνήσουν σε ένα σύνολο παραμέτρων.
Φανταστείτε ότι ο Γιάννης και η Μαρία μιλάνε στο τηλέφωνο και θέλουν να στοιχηματίσουν σε μια ρίψη νομίσματος, αλλά μόνο ο Γιάννης έχει πρόσβαση στο κέρμα. Αν η Μαρία στοιχηματίσει κορώνα, πώς μπορεί να είναι σίγουρη ότι ο Γιάννης δεν θα πει ψέματα και δεν θα πει ότι το κέρμα έπεσε σε γράμματα, ακόμα κι αν πέσει σε κορώνα;
Ο Γιάννης επιτυγχάνει αυτό το είδος στοιχήματος 50:50 στέλνοντας στην Μαρία μια σειρά από φωτόνια πολωμένα σε έναν από τους δύο προσανατολισμούς. Και σημειώνοντας τα συγκεκριμένα σπιν κάθε φωτονίου είτε ως ένα είτε ως μηδέν, καθώς και τα φίλτρα που χρησιμοποιεί για να ορίσει τις πολικότητές τους. Η Μαρία μπορεί στη συνέχεια να μαντέψει ποιο φίλτρο θα χρησιμοποιήσει για να διαβάσει την πόλωση για κάθε μεμονωμένο φωτόνιο.
Αυτή η ρύθμιση επιτρέπει στην Μαρία να συγκρίνει τις μετρήσεις της με τις σημειώσεις του Γιάννη και να αξιολογήσει αν επέλεξε ένα σύνολο πολικοτήτων ή κάποιο άλλο. Εάν είτε ο Γιάννης είτε η Μαρία υποψιάζονται ότι ο άλλος κάνει απάτη, συγκρίνουν τις μετρήσεις που λαμβάνονται από τα πολωτικά φίλτρα για να επαληθεύσουν τα αποτελέσματα.
Άλλοι τύποι κβαντικής κρυπτογραφίας
Οι ερευνητές συνεχίζουν να διερευνούν άλλους τύπους κβαντικής κρυπτογραφίας που ενσωματώνουν άμεση κρυπτογράφηση, ψηφιακές υπογραφές, κβαντική διεμπλοκή και άλλες μορφές κβαντικών επικοινωνιών. Άλλοι τύποι κβαντικής κρυπτογράφησης περιλαμβάνουν:
- Κβαντική κρυπτογραφία βασισμένη στη θέση
- Κβαντική κρυπτογραφία ανεξάρτητη από συσκευές
- Πρωτόκολλο Kek
- Πρωτόκολλο Y-00
Μετα-κβαντική κρυπτογραφία
Σύμφωνα με το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST), ο στόχος της μετα-κβαντικής κρυπτογραφίας (PQC, που ονομάζεται επίσης κβαντικά ανθεκτική ή κβαντικά ασφαλής) είναι η «ανάπτυξη κρυπτογραφικών συστημάτων που είναι ασφαλή τόσο έναντι κβαντικών όσο και έναντι κλασικών υπολογιστών. Αυτά τα συστήματα πρέπει επίσης να είναι σε θέση να διαλειτουργούν με υπάρχοντα πρωτόκολλα και δίκτυα επικοινωνιών».
Δεν πρέπει να συγχέεται με την κβαντική κρυπτογραφία, η οποία βασίζεται στους φυσικούς νόμους της φυσικής για την παραγωγή ασφαλών κρυπτοσυστημάτων, οι μετακβαντικοί κρυπτογραφικοί αλγόριθμοι χρησιμοποιούν διαφορετικούς τύπους κρυπτογραφίας για να δημιουργήσουν κβαντικά ασφαλή ασφάλεια. Οι έξι κύριες κατηγορίες κβαντικά ασφαλούς κρυπτογραφίας είναι:
-
Κρυπτογραφία βασισμένη σε πλέγμα
-
Πολυμεταβλητή κρυπτογραφία
-
Κρυπτογραφία βασισμένη σε κατακερματισμό
-
Κρυπτογραφία βασισμένη σε κώδικα
-
Κρυπτογραφία βασισμένη στην ισογένεση
-
Συμμετρική κβαντική αντίσταση κλειδιού
| moschov.dev |