Bezpośrednia Poufna Komunikacja Kwantowa
Creators: name: Zawadzki, Piotr
Publisher: name: Zenodo
Year: 2022
Subjects: kryptografia kwantowa
poufność komunikacji

description: Jak dotąd zidentyfikowano trzy podstawowe paradygmaty zapewnienia poufności: (a) statystyczna separacja napastnika z wykorzystaniem losowego współdzielonego klucza - Shannon, 1949 [1], (b) złożoność obliczeniowa niektórych problemów wykorzystywana do konstrukcji algorytmów asymetrycznych z użyciem kluczy publicznego i prywatnego - Diffie i Hellman, 1976 [2], oraz (c) błędy (szum) towarzyszące transmisji informacji - Wyner, 1975 [3]. Pierwsze dwa paradygmaty są intensywnie rozwijane od momentu ich zaproponowania. Wyniki tych badań opisano w syntetycznej formie w wielu podręcznikach z zakresu klasycznej kryptografii [4, 5]. Trzeci paradygmat stanowi fundament nowoczesnej kryptografii kwantowej. Obecnie kryptografia kwantowa jest dobrze rozwiniętą gałęzią kryptografii, która dostarcza podstaw, których bezpieczeństwo opiera się na prawach fizyki. Oferuje ona kilka podstawowych narzędzi zapewniających poufność przesyłanych informacji przy wsparciu kwantowym. Mogą one być sklasyfikowane ze względu na mechanizm zapewniania poufności oraz sposób obsługi kluczy kryptograficznych. a) Protokoły QKD (Quantum Key Distribution) samodzielnie nie zapewniają poufności [10, 11]. Dostarczają one prywatny i losowy materiał klucza obu stronom połączenia, który może być później wykorzystany przez narzędzia klasyczne. Jednak bezwarunkowe bezpieczeństwo jest osiągalne tylko wtedy, gdy QKD jest używane wspólnie z klasycznym szyfrem OTP (One-Time Pad). Protokoły QKD są inherentnie niedeterministyczne, ponieważ obie strony przyczyniają się do losowego ukształtowania klucza, i żadna z nich nie jest w stanie przewidzieć postaci wynikowego klucza. b) Funkcjonalne cechy protokołów DQKD (Deterministic QKD) [12, 13] są bardzo podobne. Tym razem jednak klucz kryptograficzny jest wybierany przez jedną ze stron i dostarczany drugiej stronie w sposób deterministyczny. Prywatność procesu dostarczania jest gwarantowana przez właściwości procesu komunikacji kwantowej. Może być ona niedoskonała, ponieważ strony zawsze mogą odwołać się do procesu wzmacniania prywatności kosztem redukcji długości klucza. Otrzymany klucz, tak jak w przypadku QKD, może być używany do parametryzacji działania klasycznych algorytmów kryptograficznych. Bezwarunkowa poufność jest osiągana tylko wtedy, gdy używany jest OTP jako szyfr, a strony używają klucza odpowiedniego do tego zadania. c) Protokoły DQSC (Deterministic Quantum Secure Communication) [14, 15] mogą zapewnić poufność bez odwoływania się do szyfrów klasycznych. Nadawca informacji tworzy losowy klucz kryptograficzny i używa go do zakodowania wrażliwych informacji w stany kwantowe, które są wysyłane do odbiorcy. Następnie strony weryfikują, czy na linii znajduje się podsłuchujący, korzystając z LOCC (Lokalnych Operacji i Komunikacji Klasycznej). Klucz umożliwiający odkodowanie wrażliwej wiadomości jest dostarczany w otwartym kanale klasycznym, dopiero gdy strony upewnią się, że kanał kwantowy jest bezpieczny. d) Protokoły QSDC (Quantum Secure Direct Communication) [16] idą krok dalej i nie korzystają z kluczy kryptograficznych. Poufność komunikacji zapewnia kwantowa natura nośników informacji. Z perspektywy użytkownika, wrażliwa wiadomość po prostu wchodzi do chronionego kanału QSDC i podróżuje do odbiorcy w sposób poufny. Nie jest wymagane wstępne uzgodnienie klucza ani odwołanie się do zewnętrznych szyfrów. Całe "czary" ochrony informacji są obsługiwane przez protokół. Ponadto zapewnione bezpieczeństwo jest niezależne od zasobów podsłuchującego, ponieważ opiera się na prawach fizyki. Protokół QSDC, który jest bezwarunkowo bezpieczny, stanowi silniejszy prymityw kryptograficzny niż wszystkie formy QKD, ponieważ może być używany do bezpiecznego dostarczania zarówno losowych kluczy, jak i deterministycznych wiadomości. Praktyczna implementacja QSDC będzie niewątpliwie kamieniem milowym w rozwoju kryptografii kwantowej. Obecnie badania znajdują się w fazie końcowej i skupiają się na opracowywaniu bezpiecznych protokołów, uwzględniających realistyczne ograniczenia i możliwe do zrealizowania w obecnym stanie technologii. W niniejszej prezentacji objaśniono zasady zapewnienia poufności w oparciu o paradygmat QSDC na przykładzie trzech protokołów: Ping-Pong, Two-Step i Deng-Long. Protokoły te porównano pod kątem poziomu oferowanego bezpieczeństwa oraz wyzwań związanych z ich implementacją. Wyjaśniono, w jaki sposób ewolucja protokołów QSDC, począwszy od czysto kwantowej formuły, aż do hybrydowych rozwiązań klasyczno-kwantowych opartych na modelu kanału podsłuchu Wynera, może rozwiązać większość napotykanych problemów. Celem prezentacji jest dostarczenie informacji naukowcom z innych dziedzin przetwarzania informacji kwantowej o najnowszych osiągnięciach w dziedzinie QSDC. <em>[1] C. Shannon, “Communication theory of secrecy systems,” The Bell System Technical Journal, vol. 28, no. 4, p. 656–715, 1949.<br> [2] W. Diffie and M. E. Hellman, “New directions in cryptography,” IEEE Trans. Inform. Theor., vol. 22, no. 6, pp. 644–654, 1976.<br> [3] A. D. Wyner, “The wire-tap channel,” The Bell System Technical Journal, vol. 54, no. 8, pp. 1355–1387, 1975.<br> [4] B. Schneier, Applied Cryptography: Protocols, Algorithms, and Source Code in C. USA: John Wiley &amp; Sons, Inc., 1993.<br> [5] N. Ferguson, B. Schneier, and T. Kohno, Cryptography Engineering: Design Principles and Practical Applications. Wiley Publishing, 2010.<br> [6] S. Wiesner, “Conjugate coding,” SIGACT News, vol. 15, no. 1, pp. 78–88, 1983.<br> [7] P. Benioff, “The computer as a physical system: A microscopic quantum mechanical hamiltonian model of computers as represented by turing machines,” J. Stat. Phys., vol. 22, no. 5, pp. 563–591, 1980.<br> [8] R. P. Feynman, “Simulating physics with computers,” Int. J. Theor. Phys., vol. 21, no. 6, pp. 467–488, 1982.<br> [9] P. W. Shor, “Polynomial-time algorithms for prime factorization and discrete logarithms on a quantum computer,” SIAM J. Comput., vol. 26, no. 5, pp. 1484–1509, 1997.<br> [10] C. Bennett and G. Brassard, “Quantum cryptography and its application to provably secure key expansion, public-key distribution, and cointossing,” in Proceedings of IEEE International Symposium on Information Theory: Abstracts of Papers, (St-Jovite, Canada), p. 91, IEEE, 9 1983.<br> [11] C. H. Bennett and G. Brassard, “Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing,” in Proceedings of International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, (New York), pp. 175–179, 1984.<br> [12] L. Goldenberg and L. Vaidman, “Quantum cryptography based on orthogonal states,” Phys. Rev. Lett., vol. 75, pp. 1239–1243, 1995.<br> [13] K. Boström and T. Felbinger, “Deterministic secure direct communication using entanglement,” Phys. Rev. Lett., vol. 89, no. 18, p. 187902, 2002.<br> [14] K. Shimizu and N. Imoto, “Communication channels secured from eavesdropping via transmission of photonic Bell states,” Phys. Rev. A, vol. 60, pp. 157–166, 1999.<br> [15] A. Beige, B. G. Englert, C. Kurtsiefer, and H. Weinfurter, “Secure communication with a publicly known key,” Act. Phys. Pol., vol. 101, no. 3, pp. 357–368, 2002.<br> [16] G. L. Long and X. S. Liu, “Theoretically efficient high-capacity quantum-key distribution scheme,” Phys. Rev. A, vol. 65, p. 032302, 2002. arXiv preprint quant-ph/0012056, 2000.</em>
description: Prezentację przedstawiono na Seminarium Katedry Telekomunikacji i Teleinformatyki Politechniki Śląskiej w Gliwicach w dniu 22 marca 2022 roku.