Ir jauns veids, kā izjaukt kvantu kriptogrāfiju

470906 | Atbrīvojieties no šļakatām

Lielais kvantu komunikācijas solījums ir ideāls privātums: iespēja pārsūtīt ziņojumu no viena Visuma punkta uz citu tādā veidā, ka paši fizikas likumi neļauj noklausītājam to klausīties.

Hakeriem šāds solījums ir kā sarkans karogs vērsim. Kopš pirmās komerciālās kvantu kriptogrāfijas sistēmas kļuva pieejamas 2000. gadu sākumā, cilvēki ir vairākkārt mēģinājuši tās samazināt — ar ievērojamiem panākumiem. Uzbrukumos ir nežēlīgi izmantotas kvantu informācijas nosūtīšanai izmantotā aprīkojuma nepilnības. To darot, hakeri ir parādījuši, ka pat tad, ja fizikas likumi piedāvā perfektu drošību, aprīkojums nekad nevar būt ideāls. Un šīs nepilnības rada nepilnības, kuras var izmantot.

Kvantu fiziķi bija spiesti ātri reaģēt, izstrādājot jaunus protokolus, kas nav atkarīgi no aprīkojuma. Tā sauktā no ierīces neatkarīgā kvantu kriptogrāfija piedāvā perfektu drošību pat tad, ja aprīkojums nav ideāls. Vismaz teorētiski.

Taču biedējošā patiesība par kvantu kriptogrāfijas ieviešanu ir tāda, ka kāds kaut kur vienmēr var tikt atklāts, ka kaut ko svarīgu ir aizmirsis. Un šī pārraudzība ļaus uzlauzt.

Šodien Xiao-Ling Pang un kolēģi no Šanhajas Jiao Tong universitātes Ķīnā saka, ka ir atraduši vienu no šiem aizmirstajiem faktoriem. Pateicoties šim atklājumam, komandai ir izdevies uzlauzt no ierīces neatkarīgu kvantu kriptogrāfiju ar biedējoši augstu panākumu līmeni.

Vispirms nedaudz fona. Lielākā daļa kvantu šifrēšanas sistēmu kodē informāciju, izmantojot fotonus. Alise nosūta fotonus Bobam, kurš tos mēra, lai atklātu informāciju.

Šis process balstās uz faktu, ka fotona kvantu īpašību mērīšana vienmēr maina informāciju, ko tas nes. Tātad, ja kāds noklausītājs noklausās, Alise un Bobs var pamanīt Ievas klātbūtni pēc izmaiņām, ko viņa ievieš sākotnējā ziņojumā. Ja viņi atrod noklausīšanās pierādījumus, viņi sāk no jauna. Patiešām, viņi turpina atkārtoti sūtīt datus, līdz var būt pārliecināti, ka neviens tos nav dzirdējis.

Protams, Alise nevar izmantot šo paņēmienu, lai nosūtītu privātu ziņojumu, jo Ievu ir iespējams noteikt tikai pēc tam, kad viņa ir noklausījusies. Tā vietā Alise to izmanto, lai nosūtītu Bobam atslēgu — vienreizēju bloknotu, ko viņš var izmantot. lai šifrētu ziņojumu un nosūtītu to pa klasisko kanālu. Vienreizējais paliktnis ir nepārprotami drošs, ja neviens cits nezina atslēgu.

Dažādi kiberdrošības pētnieki ir atraduši veidus, kā uzlauzt šāda veida sistēmu. Trūkums, ko viņi ir izmantojuši, ir tas, ka dati bieži tiek kodēti fotona polarizācijā: vertikāli polarizēts fotons var kodēt viens un horizontālā polarizācija a 0 .

Viens no risinājumiem ir iespējot iekārtā jaudīgu lāzeru tā, lai tas atstarotos no iekšpuses polarizatoriem. Atspīdumi atklāj izejošo fotonu polarizēšanai un kodēšanai izmantoto orientāciju. Un tas atklāj kodu. Lai to novērstu, fiziķi ir izstrādājuši veidus, kā novērst šīs pārdomas.

Ievadiet Pans un viņa kolēģi, kuri saka, ka ir atraduši pilnīgi jaunu veidu, kā uzbrukt kvantu komunikācijai, kas nepaļaujas uz pārdomām. Jaunā tehnika tā vietā balstās uz efektu, ko sauc par injekcijas bloķēšanu. Šī ir lāzera frekvences maiņas metode, injicējot lāzera dobumā fotonus ar atšķirīgu sēklu frekvenci. Ja frekvences atšķirība ir maza, lāzers galu galā rezonē ar sēklu frekvenci.

Pang un co injicē fotonus Alises lāzerā, lai tie mainītu izejas frekvenci. Bet tas darbojas tikai tad, ja Panga fotoni var nokļūt caur polarizatoru lāzera dobumā. Lai nodrošinātu, ka tas notiek, Pang un co injicē četrus fotonus, katrs ar atšķirīgu orientāciju — horizontāli, vertikāli un plus vai mīnus 45 grādi. Pēc tam viņi gaida, lai redzētu, vai tas maina Alises izejošā fotona frekvenci. Ja frekvence tiek mainīta, tad ienākošā fotona polarizācijai ir jāsakrīt ar izejošo fotonu.

Un tas atklāj kodu, neizmērot izejošā fotona polarizāciju. Pang un co pēc tam maina šī fotona frekvenci atpakaļ uz paredzēto frekvenci un nosūta to Bobam, kurš nav gudrāks.

Voilà! Uzlauzts, kas atklāj Ievai kvantu informāciju, Alisei vai Bobam nezinot.

Pangs un kolēģi apgalvo, ka ir pārbaudījuši šo pieeju ar ievērojamiem rezultātiem. Mēs demonstrējam, ka Ieva var kontrolēt Alises avotu, piespiežot viņai lāzera rezonansi noteiktā frekvencē, viņi saka. Mēs iegūstam uzlaušanas panākumu līmeni, kas sasniedz 60,0%.

Tas ir interesants darbs, kas iezīmē vēl vienu soli kvantu uzlaušanas kaķa un peles spēlē.

Acīmredzot nākamais solis ir atrast veidus, kā novērst injekcijas bloķēšanu, un Pang un co ir veikuši pirmos mēģinājumus. Viņi saka, ka acīmredzams pretpasākums ir izmantot ierīces, kas pazīstamas kā izolatori, kas ļauj fotoniem pārvietoties vienā virzienā, bet ne otrā virzienā.

Tomēr šīs ierīces nekādā gadījumā nav ideālas. Tie parasti ļauj fotoniem pārvietoties vienā virzienā, bet tikai samazina to skaitu, kas var pārvietoties otrā virzienā.

Pang un co savā iestatījumā iekļauj izolatorus, kas samazina nevēlamo fotonu pārraidi līdz pat 3 decibeliem. Tas samazina uzlaušanas panākumu līmeni līdz 36%, ko viņi raksturo kā joprojām ievērojami lielu informācijas noplūdi.

Protams, nav grūti izdomāt citus veidus, kā samazināt šāda veida uzbrukuma efektivitāti. Bet šeit ir vēl lielāks vēstījums: joprojām atklājas trūkumi no ierīces neatkarīgajā kvantu kriptogrāfijā. Galvenais vēstījums, ko mēs vēlētos sniegt šeit, ir tas, ka var pastāvēt daudzas citas fiziskas nepilnības, piemēram, Pang un co.

Tā ir svarīga ziņa. Vairāki uzņēmumi tagad piedāvā komerciālus kvantu kriptogrāfijas pakalpojumus ar solījumu nodrošināt privātumu, kas pārsniedz klasiskās sistēmas iespējas. Šāds darbs viņiem un viņu klientiem, visticamāk, sagādās dažas bezmiega naktis.

Atsauce: arxiv.org/abs/1902.10423 : Kvantu atslēgu izplatīšanas uzlaušana, izmantojot injekcijas bloķēšanu

paslēpties