Nauka To Lubię: Fizyka kwantowa w służbie kryptografii

Historia szyfrowania informacji jest tak samo stare jak historia ich wymiany.

Próbowano zaszyfrować przesyłane dane tak, aby nie przedostały się one w niepowłane ręce.

Zależały od tego losy wojen, a także losy nie jednej miłosnej relacji.

Proste szyfry mono i polialfabetyczne maszyna Lorenza, czy chociażby legendarna enigma to już jedna historia.

Obecnie większość danych przesyłamy sieciami światłowodowymi wykorzystując do tego światło

jego wyjątkowe własności fizyczne, a zaawansowane klucze kryptograficzne zabezpieczają strategiczne dane,

między innymi choćby strony internetowe czy transakcje bankowe.

Prostące możliwości obliczeniowe systemów próbujących wykraść cenne informacje,

a także rozwój tak zwanych komputerów kwantowych to wszystko zmieniło zasady gry.

Bojawia się pole dla kryptografii kwantowej, która dotychczasowe podejście do bezpiecznej komunikacji wywraca do góry nogami.

Dotychczas szyfrowanie było trochę zamkniętym kołem, taką zabawą w kotka i myszkę,

opracowaniem szyfru, a potem wymyśleniem sposobu na złamanie go.

Skutkowało to pracami nad kolejnym szyfrem, co owocowało kolejną próbą złamania.

Kryptografia kwantowa diametralnie zmienia te zasady gry, bo na scenę weszła fizyka.

W pewnym uproszczeniu można powiedzieć, że kwantowa kryptografia wykorzystuje prawa fizyki,

a kryptografia klasyczna prawa matematyki.

Fizyka opisuje właściwości, zjawiska, oddziaływania.

Matematyka daje nam do tego narzędzia, daje narzędzia do wnioskowania,

jest językiem opisu zjawisk obserwowanych dzięki fizyce.

Złamanie kwantowego klucza, czy kwantowo wymienionego klucza kryptograficznego

wiązałoby się nie tyle między złamaniem jakiegoś konkretnego szyfru,

ale ze złamaniem praw fizyki.

Z punktu widzenia obecnej wiedzy jest to po prostu niemożliwe.

Kryptografia kwantowa z uwagi na prawa fizyki i dowody matematyczne,

które za nią stoją, daje nam więc pewność, co do jej metod.

Wszak podstawy fizyki teoretycznej rozmaite teorie kwantów

zostały udokumentowane i nagrodzone wieloma nagrodami Nobla.

Zresztą nagroda Nobla z fizyki w roku 2022

została przyznana trzem naukowcom właśnie za pracę nad splątaniem kwantowym.

Myślę, że najciekawszym zagadnieniem w dziedzinie kryptografii kwantowej

jest kwantowa dystrybucja klucza, czyli QQD.

Jeśli ktoś, kto chce przechwycić nasze dane

albo klucz zajrzy do systemu, będziemy o tym wiedzieć.

Problemem łamania kluczy kluczy kryptograficznych

jest fakt, że mogą one zostać złamane bez wiedzy

stron wymieniających się informacjami.

Można używać narzędzi, nie wiedząc, że są już one bezużyteczne.

Niemcy używali enigmy, bo nie mogli wiedzieć,

że zasady jej działania już została nomenomen odszyfrowana.

W przypadku kryptografii kwantowej to wszystko działa zupełnie inaczej.

To co stoi u podstaw tego bezpieczeństwa

to nic innego jak fundamenty mechaniki kwantowej.

QQD wykorzystuje właściwości pojedynczych fotonów,

czyli kwantów energii świetlnej.

Istotą kwantowego podejścia jest umiejętność kontrolowania pojedynczych fotonów,

atomów albo stanów kwantowych światła i materii.

Kluczem do zrozumienia, czym jest ta kwantowa dystrybucja klucza

jest uświadomienie sobie, że zadaniem QQD nie jest transmisja danych

i wiadomości, a stworzenie i dystrybucja klucza kryptograficznego,

czyli narzędzia, dzięki któremu można zasyfrować

albo odszyfrować przesłane dane.

QQD jest więc zestawem procedur, technologią,

która umożliwia wymiany klucza kryptograficznego

między zainteresowanymi stronami w bezpieczny sposób,

bez możliwości skopiowania go i odczytania przez osoby postronne.

Na system, oprócz odbiorcy i nadawcy składa się kanał klasyczny

do przesyłania informacji oraz kanał kwantowy,

którym przesyłany jest klucz kryptograficzny.

W kanale klasycznym nośnikiem informacji może być dowolny sygnał.

Natomiast w przypadku kanału kwantowego

informacja wysyłana jest za pomocą pojedynczych kwantów światła.

Każdy z tych kwotonów ma losowy stan kwantowy,

pionową albo poziomą polaryzację.

Nie wchodząc za bardzo w madry fizyki kwantowej,

określamy te stany jako 1 lub 0.

Odbiornik z kolei możemy ustawić tak,

aby odróżniał te pionowe i poziome polaryzacji od siebie.

Tak jak najmniejsze porcje informacji nazywamy bitami,

tak najmniejsze jednostki informacji kwantowej

nazywamy kubitami od quantum bit, kwantowych bitów.

W kwantowej dystrybucie klucza mamy

swoistą zmianę sposobu myślenia o bezpieczeństwie.

Nie zastanawiamy się nad wymyślnymi matematycznymi zabezpieczeniami,

czy kodami tylko patrzymy,

czy cała komunikacja zaszła z zachowaniem bezpieczeństwa.

A jeśli mamy jakąkolwiek wątpliwość,

po prostu nie używamy klucza,

który wygenerowaliśmy w danej rundzie.

Przykładowo w protokole BB84 wysyłamy klucz bez żadnych zabezpieczeń,

ale możemy sprawdzić, czy ktoś spojrzał na niego po drodze.

Jeżeli ktoś nas podsłuchuje, bezpiecznego klucza w ogóle nie uda się ustalić.

Nie da się pasywnie podsłuchiwać bez szkody dla klucza.

Odwracają sytuację, jeśli ustalimy klucz,

to mamy gwarancję, że nikt nas nie podsłuchał.

Ideę QQD testuje się i wdraża na wiele różnych sposobów.

Polscy fizycy również mogą pochwalić się dużymi zasługami.

Między Poznaniem a Warszawą testowane jest najdłuższe łącze QQD w Europie.

Obecnie prowadzone są różnorodne badania nad integracją systemu

tego kwantowego z infrastrukturą już istniejącą,

a także nad możliwościami wykorzystania tej technologii

w rozmaitych aplikacjach i usługach.

Polski fizyk Artur Eckert jest autorem jednego z najważniejszych protokołów QQD E91.

Protokół ten wykorzystuje splątane pary fotonów i łamanie nierówności Bella.

Rozwiązania kwantowe w kryptografii już są,

albo będą używane przede wszystkim do chronienia infrastruktury krytycznej.

To co warto zapamiętać z dzisiejszego odcinka to fakt,

że nie jest możliwe, żeby kryptografia kwantowa zastąpiła kryptografię taką konwencjonalną klasyczną.

Bo inny de facto jest faktyczny cel kryptografii kwantowej,

której rola polega na stworzeniu i dystrybucji klucza kryptograficznego,

czyli narzędzia do szyfrowania danych.

Oba podejścia klasycznej kwantowe będą więc funkcjonować obok siebie

jako swoiste podwójne zabezpieczenie.

Wykorzystując w kryptografii technologie kwantowe

zaprzęgamy do pracy fundamentalne prawa fizyki

i to jest najlepsza gwarancja niezawodności tych technologii.

Tak jak grawitacja gwarantuje nam, że nie zaczniemy lewitować,

tak fizyka kwantowa zastosowana w kryptografii gwarantuje nam,

że nasze dane nie zostaną przejęte przez niepożądaną osobę czy organizację.

Nauka to lubię od 10 lat, nie tylko na Facebooku i YouTube.

Machine-generated transcript that may contain inaccuracies.