Квантовая криптография: современные реалии

Квантовая криптография, или точнее – квантовое распределение ключей, по сути, одна из технологий криптографической защиты информации, предназначенной для построения защищённых телекоммуникационных сетей связи будущего. Этому направлению уделяется пристальное внимание во всём мире, в том числе в нашей стране. Доказательством этому – национальная программа «Цифровая экономика Российской Федерации», согласно которой квантовая криптография вместе с квантовыми вычислениями выделена в отдельное направление развития и отнесена к сквозным технологиям. Это связано с тем, что при определенных условиях квантовая криптография способна реализовать защиту, основанную на фундаментальных принципах квантовой механики, для предотвращения большинства существующих и перспективных угроз безопасности информационных систем.

Актуальность внедрения алгоритмов квантовой криптографии обосновывается, во-первых, тем, что с развитием квантовых вычислений и квантовых компьютеров с высочайшей по нынешним меркам производительностью фактически сводится на нет криптостойкость современных не квантовых криптоалгоритмов.

Во-вторых, феноменальная защищённость квантовых алгоритмов основана на физических явлениях квантовой механики, согласно которой информация в защищённых каналах передается посредством кодирования состояний фотонов на передающем конце линии связи и последующем их измерении на приемном. В случае, если нарушитель попытается подключиться к каналу между легитимными абонентами и перехватить передаваемые фотоны, то в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга легитимные абоненты смогут определить факт такого вторжения через резко возросшее число ошибок при регистрации фотонов.

На этом принципе основаны все квантовые протоколы распределения криптографических ключей. Именно поэтому квантовое распределение ключей позволяет не только обеспечить защиту от несанкционированного доступа к передаваемой информации, но и выявить факт такой попытки.

Отметим, что нового появилось в квантовой криптографии, в каких направлениях происходят исследования.

Исследования в области технологий распределения криптографических ключей через искусственные спутники Земли.

Использование искусственных спутников и возможность передачи кубитов в виде фотонов через пространство на сотни километров открывает совершенно новую и перспективную область квантовой криптографии. Доверенный спутник может обеспечить ключами шифрования любого пользователя на Земле в любой стране в зоне своего покрытия. Применение спутников и космических станций для распределения криптографических ключей позволит строить глобальные и даже выходящие за пределы Земли системы защищенной связи, что дает невиданные ранее возможности защищённых телекоммуникаций. Это открывает фантастические перспективы, хотя пока исследований на данную тему немного.

Разработка новых криптографических примитивов и протоколов.

В настоящее время криптоаналитики всего мира активно занимаются созданием квантовых аналогов традиционных криптографических примитивов, таких как, разделение секретов, передачу «вслепую», подбрасывание монеты «по телефону», подпись документов и многих других.

Наряду, с уже разработанными протоколами квантового распределения ключей, такими, как ВВ84, E91, алгоритмом Беннета, разрабатываются новые протоколы, например, Lo05, созданный корейскими учёными Хои-Квоном Ло, Ксионфеном Ма и Кай Ченом.

Исследования в области криптостойкости квантовых протоколов.

Несомненно, основным преимуществом квантовой криптографии является абсолютная защищённость от «взлома». Это основано на законах квантовой механики: невозможность одновременного точного измерения всех состояний передаваемых квантов. Если кто-то попытается перехватить зашифрованное квантами сообщение, то он не сможет точно измерить поляризацию каждого кванта, так как, не знает, как они были сориентированы при передаче.

Но абсолютная безопасность существует лишь в теории. В квантовой криптографии для «взлома» стали применяться обходные пути, такие как, прослушивание звуковых и других сигналов, издаваемых источниками и детекторами фотонов; создание ложных сигналов для введения в заблуждение источника и получателя; использование разницы в чувствительности детекторов и т.д.

Осуществление подобных атак на квантовые системы возможно из0за того, что технологии реализации передатчика и приёмника фотонов далеко не идеальны. Например, в большинстве передатчиков фотоны могут излучаться не по одному, что приводит к большой погрешности при их приёме и анализе состояния. Также злоумышленники используют недостатки приёмников, которые строятся на нескольких фотодетекторах, где возможно самопроизвольное срабатывание. Возможность «ослепления» фотодетекторов и другие недостатки в технологиях так же стали активно применяться как криптоаналитиками для проверки стойкости квантовых протоколов, так и злоумышленниками.

В Приволжском институте повышения квалификации ФНС России криптографические методы и средства защиты информации, в том числе основы квантовой криптографии изучаются по программе профессиональной переподготовки «Информационная безопасность. Обеспечение защиты информации ограниченного доступа, не содержащей сведения, составляющие государственную тайну, некриптографическими и криптографическими методами» (570 часов), а также по программе повышения квалификации «Оператор удостоверяющего центра» (102 часа).

Приглашаем всех желающих для обучения!

Лабутин Н.Г., 
заведующий кафедрой 
информационной безопасности, 
канд. тех .наук, доцент