Kryptografia kwantowa – jak to działa?

Historia szyfrowania informacji jest tak samo stara jak historia ich wymiany. Próbowano zaszyfrować przesyłane dane tak, aby nie przedostały się one w niepowołane ręce. Zależały od tego losy wojen, a także losy niejednej miłosnej relacji. Proste szyfry mono- i polialfabetyczne, maszyna Lorentza czy chociażby legendarna Enigma to już jednak historia.

Obecnie większość danych przesyłamy sieciami światłowodowymi, wykorzystując do tego światło i jego wyjątkowe własności fizyczne, a zaawansowane klucze kryptograficzne zabezpieczają strategiczne dane, między innymi choćby strony internetowe czy transakcje bankowe. Rosnące możliwości obliczeniowe systemów próbujących wykraść cenne informacje, a także rozwój tzw. komputerów kwantowych. To wszystko zmieniło zasady gry. Pojawia się pole dla kryptografii kwantowej, która dotychczasowe podejście do bezpiecznej komunikacji wywraca do góry nogami.

Kryptografia kwantowa – wprowadzenie

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 kwantowego wymienionego klucza kryptograficzne wiązałoby się nie tyle więc ze 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.

QKD – Quantum Key Distribution

Myślę, że najciekawszym zagadnieniem w dziedzinie kryptografii kwantowej jest kwantowa dystrybucja klucza. Czyli QKD – Quantum Key Distribution. Jeśli ktoś, kto chce przechwycić nasze dane albo klucz, zajrzy do systemu, będziemy o tym wiedzieć. Problemem łamania klasycznych 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 zasada jej działania już została nomen omen odszyfrowana. W przypadku kryptografii kwantowej to wszystko działa zupełnie inaczej. To, co stoi u podstaw tego bezpieczeństwa, to nic innego jak fundamenty mechaniki kwantowej.

Przeczytaj też: Jak działa laser?

QKD 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 QKD nie jest transmisja danych i wiadomości, a stworzenie i dystrybucja klucza kryptograficznego, czyli narzędzia, dzięki któremu można zaszyfrować albo odszyfrować przesłane dane. QKD jest więc zestawem procedur, technologią, która umożliwia wymianę klucza kryptograficznego między zainteresowanymi stronami w bezpieczny sposób, bez możliwości skopiowania go i odczytania przez osoby postronne.

QKD – jak to działa?

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 fotonów ma losowy stan kwantowy – pionową albo poziomą polaryzację.

Nie wchodząc w meandry fizyki kwantowej, określamy te stany jako 1 lub 0. Odbiornik z kolei możemy ustawić tak, aby odróżniał te pionowe i poziome polaryzacje od siebie. Tak, jak najmniejsze porcje informacji nazywamy bitami, tak najmniejsze jednostki informacji kwantowej nazywamy kubitami od quantum bit – kwantowych bitów.

W kwantowej dystrybucji 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. Odwracając sytuację, jeśli ustalimy klucz, to mamy gwarancję, że nikt nas nie podsłuchał.

To też Cię zainteresuje: Filmy science-fiction a nauka – czy da się to połączyć?

Idee QKD testuje się i wdraża na wiele różnych sposobów. Polscy fizycy również mogą pochwalić się dużymi zasługami. Między Poznaniem a Warszawą testowane jest najdłuższe łącze QKD 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 Ekert jest autorem jednego z najważniejszych protokołów QKD – E91. Protokół ten wykorzystuje splątane pary fotonów i łamanie nierówności Bella.

Podsumowanie

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: klasyczne i 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.