Criptografia cuantică

Criptografia cuantică este știința exploatării proprietăților mecanicii cuantice, cum ar fi entanglementul cuantic, perturbațiile de măsurare, teorema fără clonare și principiul superpoziției, pentru a îndeplini diverse sarcini criptografice.[1][2][3] Definită istoric ca activitatea de codificare a mesajelor, un concept denumit acum criptare, criptografia cuantică joacă un rol crucial în procesarea, stocarea și transmiterea securizată a informațiilor în diverse domenii.

Un aspect al criptografiei cuantice este distribuția cheilor cuantice (QKD), care oferă o soluție sigură din punct de vedere teoretic al informației la problema schimbului de chei. Avantajul criptografiei cuantice constă în faptul că permite finalizarea diverselor sarcini criptografice care sunt dovedite sau conjecturate a fi imposibile folosind doar comunicarea clasică (adică non-cuantică). În plus, criptografia cuantică permite autentificarea mesajelor, ceea ce permite părților legitime să demonstreze că mesajele nu au fost înregistrate telefonic în timpul transmisiei.[4] De exemplu, într-o configurație criptografică, este imposibil să copiezi cu fidelitate perfectă datele codificate într-o stare cuantică.[5] Dacă cineva încearcă să citească datele codificate, starea cuantică se va schimba din cauza colapsului funcției de undă (teorema fără clonare). Aceasta ar putea fi utilizată pentru a detecta interceptarea în schemele QKD sau în legăturile și rețelele de comunicații cuantice. Aceste avantaje au influențat semnificativ evoluția criptografiei cuantice, făcând-o practică în era digitală de astăzi, unde dispozitivele sunt din ce în ce mai interconectate, iar atacurile cibernetice au devenit mai sofisticate. Ca atare, criptografia cuantică este o componentă critică în avansarea unui internet cuantic, deoarece stabilește mecanisme robuste pentru a asigura confidențialitatea și integritatea pe termen lung a comunicațiilor și sistemelor digitale.[6]

Istoric

Lumina polarizată este transmisă printr-un canal cuantic nesigur și detectată de Bob în timp ce Eve încearcă să intercepteze comunicarea

La începutul anilor 1970, Stephen Wiesner, pe atunci la Universitatea Columbia din New York, a introdus conceptul de codare conjugată cuantic. Lucrarea sa fundamentală intitulată „Codare conjugată” a fost respinsă de Societatea de Teorie a Informației IEEE, dar a fost publicată în cele din urmă în 1983 în SIGACT News.[7] În această lucrare, el a arătat cum să stocheze sau să transmită două mesaje prin codificarea lor în două „observabile conjugate”, cum ar fi polarizarea liniară și circulară a fotonilor,[8] astfel încât oricare dintre proprietăți, dar nu ambele, să poată fi recepționate și decodificate. Abia după ce Charles H. Bennett, de la Centrul de Cercetare Thomas J. Watson al IBM, și Gilles Brassard s-au întâlnit în 1979 la cel de-al 20-lea Simpozion IEEE privind Fundamentele Informaticii, desfășurat în Puerto Rico, au descoperit cum să încorporeze descoperirile lui Wiesner. „Principala descoperire a venit atunci când ne-am dat seama că fotonii nu au fost niciodată meniți să stocheze informații, ci mai degrabă să le transmită.”[7] În 1984, bazându-se pe această lucrare, Bennett și Brassard au propus o metodă de comunicare securizată, care se numește acum BB84, primul sistem de distribuție a cheilor cuantice.[9][10] Independent, în 1991, Artur Ekert a propus utilizarea inegalităților lui Bell pentru a realiza o distribuție securizată a cheilor.[11] Protocolul lui Ekert pentru distribuția cheilor, așa cum a fost demonstrat ulterior de Dominic Mayers și Andrew Yao, oferă o distribuție cuantică a cheilor independentă de dispozitiv.

Printre companiile care produc sisteme de criptografie cuantică se numără MagiQ Technologies, Inc. (Boston), ID Quantique (Geneva), QuintessenceLabs (Canberra, Australia), Toshiba (Tokyo), QNu Labs (India) și SeQureNet (Paris).

Avantaje

Criptografia este cea mai puternică verigă din lanțul securității datelor.[12] Cu toate acestea, părțile interesate nu pot presupune că cheile criptografice vor rămâne securizate pe termen nelimitat.[13] Criptografia cuantică[2] are potențialul de a cripta datele pentru perioade mai lungi decât criptografia clasică.[13] Folosind criptografia clasică, oamenii de știință nu pot garanta criptarea peste aproximativ 30 de ani, dar unii actori ar putea utiliza perioade mai lungi de protecție.[13] Luați, de exemplu, industria medicală. Începând cu 2017, 85,9% dintre medicii din cabinete utilizează sisteme electronice de dosare medicale pentru a stoca și transmite datele pacienților.[14] Conform Legii privind portabilitatea și responsabilitatea asigurărilor de sănătate, dosarele medicale trebuie păstrate secrete.[15] Distribuția cheilor cuantice poate proteja dosarele electronice pentru perioade de până la 100 de ani.[13] De asemenea, criptografia cuantică are aplicații utile pentru guverne și armată, deoarece, din punct de vedere istoric, guvernele au păstrat secrete datele militare pentru perioade de peste 60 de ani.[13] De asemenea, au existat dovezi că distribuția cheilor cuantice poate călători printr-un canal zgomotos pe o distanță lungă și poate fi securizată. Poate fi redusă de la o schemă cuantică zgomotoasă la o schemă clasică fără zgomot. Acest lucru poate fi rezolvat cu teoria probabilităților clasică.[16] Acest proces de obținere a unei protecții consecvente pe un canal zgomotos poate fi posibil prin implementarea repetoarelor cuantice. Repetoarele cuantice au capacitatea de a rezolva erorile de comunicare cuantică într-un mod eficient. Repetoarele cuantice, care sunt computere cuantice, pot fi staționate ca segmente peste canalul zgomotos pentru a asigura securitatea comunicării. Repetoarele cuantice fac acest lucru prin purificarea segmentelor canalului înainte de a le conecta, creând o linie de comunicare sigură. Repetoarele cuantice sub medie pot oferi un nivel eficient de securitate prin canalul zgomotos pe o distanță lungă.[16]

Referințe

1.  Gisin, Nicolas; Ribordy, Grégoire; Tittel, Wolfgang; Zbinden, Hugo (2002). „Quantum cryptography”. Reviews of Modern Physics. 74 (1): 145–195. arXiv:quant-ph/0101098. Bibcode:2002RvMP…74..145G. doi:10.1103/RevModPhys.74.145. S2CID 6979295 .
2.  Pirandola, S.; Andersen, U. L.; Banchi, L.; Berta, M.; Bunandar, D.; Colbeck, R.; Englund, D.; Gehring, T.; Lupo, C.; Ottaviani, C.; Pereira, J. L.; et al. (2020). „Advances in quantum cryptography”. Advances in Optics and Photonics. 12 (4): 1012–1236. arXiv:1906.01645. Bibcode:2020AdOP…12.1012P. doi:10.1364/AOP.361502. S2CID 174799187 .
3.  Renner, Renato; Wolf, Ramona (2023). „Quantum Advantage in Cryptography”. AIAA Journal. 61 (5): 1895–1910. arXiv:2206.04078. Bibcode:2023AIAAJ..61.1895R. doi:10.2514/1.J062267. ISSN 0001-1452 .
4.  Gisin, Nicolas; Ribordy, Grégoire; Tittel, Wolfgang; Zbinden, Hugo (8 March 2002). „Quantum cryptography”. Reviews of Modern Physics. 74 (1): 145–195. arXiv:quant-ph/0101098. Bibcode:2002RvMP…74..145G. doi:10.1103/RevModPhys.74.145 .
5.  Nielsen, Michael A.; Chuang, Isaac L. (9 December 2010). Quantum Computation and Quantum Information: 10th Anniversary Edition. doi:10.1017/CBO9780511976667. ISBN 978-1-107-00217-3.  Retrieved 2 September 2025. 
6.  Mitra, Saptarshi; Jana, Bappaditya; Bhattacharya, Supratim; Pal, Prashnatita; Poray, Jayanta (November 2017). „Quantum cryptography: Overview, security issues and future challenges”. 2017 4th International Conference on Opto-Electronics and Applied Optics (Optronix). pp. 1–7. doi:10.1109/OPTRONIX.2017.8350006. ISBN 978-1-5386-1119-7.
7.  Bennett, Charles H.; et al. (1992). „Experimental quantum cryptography”. Journal of Cryptology. 5 (1): 3–28. doi:10.1007/bf00191318. S2CID 206771454.
8.  Wiesner, Stephen (1983). „Conjugate coding”. ACM SIGACT News. 15 (1): 78–88. doi:10.1145/1008908.1008920. S2CID 207155055.
9.  Bennett, C. H.; Brassard, G. (1984). „Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing”. Proceedings of the International Conference on Computers, Systems & Signal Processing, Bangalore, India. Vol. 1. New York: IEEE. pp. 175–179. Reprinted as Bennett, C. H.; Brassard, G. (4 December 2014). „Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing”. Theoretical Computer Science. Theoretical Aspects of Quantum Cryptography – celebrating 30 years of BB84. 560 (1): 7–11. arXiv:2003.06557. doi:10.1016/j.tcs.2014.05.025.
10.  „What Is Quantum Cryptography? | IBM”. www.ibm.com. 29 November 2023. Retrieved 25 September 2024.
11.  Ekert, A (1991). „Quantum cryptography based on Bell’s theorem”. Physical Review Letters. 67 (6): 661–663. Bibcode:1991PhRvL..67..661E. doi:10.1103/physrevlett.67.661. PMID 10044956. S2CID 27683254 .
12.  „Crypto-gram: December 15, 2003 – Schneier on Security”. www.schneier.com. Retrieved 13 October 2020.
13.  Stebila, Douglas; Mosca, Michele; Lütkenhaus, Norbert (2010), Sergienko, Alexander; Pascazio, Saverio; Villoresi, Paolo (eds.), „The Case for Quantum Key Distribution”, Quantum Communication and Quantum Networking, vol. 36, Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, pp. 283–296, arXiv:0902.2839, Bibcode:2010qcqn.book..283S, doi:10.1007/978-3-642-11731-2_35, ISBN 978-3-642-11730-5, S2CID 457259 , retrieved 13 October 2020
14.  „FastStats”. www.cdc.gov. 4 August 2020. Retrieved 13 October 2020.
15.  Rights (OCR), Office for Civil (7 May 2008). „Privacy”. HHS.gov. Retrieved 13 October 2020.
16.  Lo, Hoi-Kwong; Chau, H. F. (1999). „Unconditional Security of Quantum Key Distribution over Arbitrarily Long Distances PDF). Science. 283 (5410): 2050–2056. arXiv:quant-ph/9803006. Bibcode:1999Sci…283.2050L. doi:10.1126/science.283.5410.2050. JSTOR 2896688. PMID 10092221. S2CID 294818 .

(Include texte traduse și adaptate din Wikipedia de Nicolae Sfetcu)