Znajdź zawartość

Dzięki pracom japońskich naukowców kryptografia kwantowa pokonała jedną z ostatnich przeszkód na drodze do upowszechnienia się. Stworzyli oni system, dzięki któremu możliwe jest wykorzystanie kryptografii kwantowej do szyfrowania transmisji wideo. To niezwykle ważny z punktu widzenia praktycznego zastosowania - powiedział Hoi-Kwong Lo, fizyk z University of Toronto. Obecnie wykorzystywane techniki szyfrowania zakładają, że bez znajomości poufnego klucza poznanie treści zaszyfrowanej wiadomości wymaga tak olbrzymich nakładów czasu i mocy obliczeniowych, że odcyfrowanie jej jest niewykonalne. Jednak nigdy nie ma pewności, że podsłuchujący nie dysponuje odpowiednimi zasobami, pozwalającymi mu w krótkim czasie złamać nasze klucze szyfrujące. Dlatego też specjaliści zwrócili się w stronę kryptografii kwantowej. Jest ona o tyle bardziej bezpieczna, że samo odczytanie klucza szyfrującego zmienia jego zawartość. A zatem osoby go używające będą natychmiast wiedziały, że są podsłuchiwane, chociaż teoretycznie - o czym informowaliśmy - możliwe jest również podsłuchanie i takiej transmisji. Poważnym problemem stojącym na przeszkodzie w upowszechnieniu się kryptografii kwantowej była prędkość działania tego typu systemów - zbyt mała, by nadawały się do większości zastosowań. Rozwiązaniem może być najnowsza propozycja Toshiby. Japończycy zastosowali zmodyfikowane półprzewodnikowe fotodiody lawinowe. Gdy do takiej diody dotrze foton, powoduje on powstanie lawiny wyładowań elektrycznych. Tworzenie się takiej lawiny zajmuje jednak sporo czasu, co znacząco ogranicza prędkość pracy detektora. Specjalistom z Toshiby udało się stworzyć diody, które wykrywają mniejsze lawiny niż dotychczas, a zatem działają szybciej. Ponadto same fotodetektory udoskonalono tak, że różnice w długości połączeń optycznych urządzeń nie przekraczały kilku nanometrów. Bez tego cały system zatrzymywałby się co kilka minut, by urządzenia mogły się skalibrować. Dzięki takim działaniom możliwe było przesyłanie kluczy kwantowych na odległość 50 kilometrów z prędkością megabita na sekundę, a cały system pracował nieprzerwanie przez 36 godzin. Dotychczas możliwe było albo wysyłanie kluczy z prędkością kilku kilkobitów na sekundę, albo przyspieszenie do megabita na sekundę, ale wówczas system działał tylko przez kilka minut. Przed specjalistami jest jeszcze sporo pracy. Obecnie bowiem informacja szyfrowana kluczem kwantowym musi być odszyfrowywana i ponownie szyfrowana na każdym węźle sieci, co naraża cały system na atak. Ostatecznym celem ekspertów pracujących nad kryptografią kwantową jest doprowadzenie do splątania pomiędzy urządzeniami osób przesyłającymi sobie kwantową wiadomość. To dałoby pewność, że tylko odbiorca będzie w stanie ją odszyfrować. Jednak by tak bezpieczna sieć powstała najpierw muszą zostać skonstruowane regeneratory sygnału (wtórniki). Bez nich komunikacja kwantowa jest bezpieczna tylko pomiędzy węzłami sieci. Same węzły mogą zostać zaatakowane. I, jak zauważa Masahide Sasaki z japońskiego Narodowego Instytutu Technologii Informacyjnej i Komunikacji, który pracował nad nowym systemem, im doskonalsze urządzenia znajdą się w węzłach, tym łatwiej będzie je zaatakować.

Naukowcy z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) opracowali metodę, która upraszcza i czyni tańszą dystrybucję kluczy szyfrujących w kryptografii kwantowej. Dzięki ich pracom kwantowe metody kryptograficzne mogą szybciej się upowszechnić. Amerykańskim uczonym udało się zmniejszyć liczbę detektorów - najbardziej kosztownych elementów systemu kryptograficznego - z czterech do dwóch. W kryptografii kwantowej odbiorca wiadomości musi odebrać sekwencję fotonów i zmierzyć ich polaryzację by uwiarygodnić wiadomość. Najpowszechniej używany obecnie protokół, BB84, wymaga wykorzystania czterech detektorów, z których każdy kosztuje od 5000 do 20 000 dolarów. Jedna para detektorów mierzy polaryzację pionową i poziomą, a druga polaryzację +/- 45 stopni. Naukowcy pod przewodnictwem Xiao Tanga opracowali optyczny komponent, który powoduje rotację fotonów o 45 stopni i pozwala na ich zmierzenie za pomocą tego samego czujnika. Wystarczy więc użyć jednej pary detektorów - tej mierzącej polaryzację pionową i poziomą, a następnie wysłać do nich fotony ponownie i je obrócić. Zaleta jest oczywista - polaryzację można zmierzyć za pomocą dwóch czujników. Jednak nie ma róży bez kolców. Druga para fotonów przybywa później, niż w przypadku wykorzystywania czterech detektorów. Naukowcy mówią, że ich system spowalnia transmisję danych o połowę. Jednak, jak zapewniają, nadal pracuje ona z na tyle dużą prędkością, że można przesyłać w czasie rzeczywistym zaszyfrowany obraz wideo tworzony za pomocą kamery internetowej.

Inżynierom Toshiby udało się załatać pewne niedociągnięcie w systemach kryptografii kwantowej, które powodowało, że, wbrew teorii, zaszyfrowane wiadomości można było przechwycić. System Toshiby powinien umożliwić przesyłanie kwantowych kluczy kryptograficznych na duże odległości. Obecnie, ze względów bezpieczeństwa, są one przesyłane jedynie pomiędzy budynkami tych samych banków czy instytucji rządowych. W teorii kryptografia kwantowa wykorzystuje pojedyncze fotony, a jedynki i zera reprezentowane są za pomocą opóźnień pomiędzy fotonami. Kryptografia kwantowa jest, w teorii, całkowicie bezpieczna, gdyż każda próba przechwycenia sygnału zakończy się usunięciem z niego części fotonów, a ich brak z łatwością można wykryć. W praktyce jednak współczesne systemy kryptografii kwantowej są jeszcze zbyt słabo rozwinięte, by wysyłać strumień pojedynczych fotonów. Często impulsy zawierają więcej niż jeden foton, a więc mogą zostać przechwycone bez obawy wykrycia podsłuchu. Stosowane są różne metody uniknięcia sytuacji, w której wysyłane będą zwielokrotnione fotony. Jedną z nich jest redukcja intensywności i częstotliwości impulsów. Problem w tym, że takie impulsy mogą przebyć krótszą drogę, a więc klucze kryptograficzne mogą być przesyłane na krótszym dystansie. Pracujący dla Toshiby naukowcy postanowili dodawać do strumienia danych "impulsy-pułapki”. To impulsy, które są w sposób losowy umieszczany w strumieniu i są od niego słabsze. Bardzo rzadko więc składają się z więcej niż jednego fotonu. Gdy nieuprawniona osoba spróbuje podsłuchać komunikację, zablokuje "impulsy-pułapki”. Wystarczy więc monitorować właśnie je, by sprawdzić, czy nie doszło do podsłuchu. Zastosowanie "pułapek" pozwala na wysyłanie silniejszych impulsów, a tym samym zwiększenie częstotliwości sygnału i drogi, którą przebędzie. Sygnał bez "impulsów-pułapek” jest obecnie wysyłany z prędkością 43 bitów na sekundę na maksymalną odległość 25 kilometrów. Z "pułapkami" można go wysłać z prędkością 5,5 kilobita na sekundę, czyli ponad 100-krotnie szybciej.

Firma id Quantique SA z Genewy, która specjalizuje się w kryptografii kwantowej, nawiązała współpracę z australijskim przedsiębiorstwem kryptograficznym Senetas Corp. Ltd. Jej wynikiem jest stworzenie systemu kryptografii kwantowej, który współpracuje z sieciami o prędkości przesyłu danych sięgających 1 gigabita na sekundę. Obie firmy zapowiadają, że do końca bieżącego roku przygotują system działający z prędkością 10 Gb/s. Dotychczas stosowane systemy pracowały znacznie wolniej i nie nadawały się do zastosowania w bardzo szybkich sieciach. Nowy system jest kompatybilny z technologiami Senetas ATM, Sonet oraz Gigabit Ethernet. Kryptografia kwantowa do przekazania zaszyfrowanej wiadomości wykorzystuje fotony. Jej główną zaletą jest fakt, iż zaszyfrowanej wiadomości nie można podsłuchać bez natychmiastowego poinformowania zainteresowanych osób o podsłuchu. Zasady mechaniki kwantowej nie pozwalają bowiem na odczytanie wiadomości bez jednoczesnego jej zaburzenia. Tak więc osoby wymieniające się kluczami szyfrującymi (taka wymiana jest konieczna do przekazania zaszyfrowania i odczytania wiadomości), natychmiast dowiedzą się, że są podsłuchiwane i mogą zmienić klucze oraz kanał komunikacji.