Evoluția actuală a criptografiei cuantice

Pe lângă distribuția cheilor, tehnicile cuantice pot ajuta, de asemenea, la atingerea unor obiective criptografice mai subtile, importante în lumea postbelică, cum ar fi protejarea informațiilor private în timp ce acestea sunt utilizate pentru a lua decizii publice. Astfel de tehnici, inițiate de Claude Crepeau [3] [4], permit la două persoane să calculeze o funcție f(x; y) convenită pe intrări private x și y atunci când o persoană cunoaște x, cealaltă cunoaște y și niciuna nu este dispusă să dezvăluie nimic despre datele sale private celeilalte, cu excepția a ceea ce rezultă logic din datele private ale uneia și din ieșirea funcției. Exemplul clasic al unei astfel de luări discrete a deciziilor este „problema întâlnirilor”, în care două persoane caută o modalitate de a stabili o întâlnire dacă și numai dacă fiecare dintre ele îl place pe celălalt, fără a dezvălui alte informații. De exemplu, dacă Alice îl place pe Bob, dar Bob nu o place pe Alice, întâlnirea ar trebui anulată fără ca Bob să afle că Alice îl place; pe de altă parte, este logic inevitabil ca Alice să afle că Bob nu o place, pentru că dacă ar face-o, întâlnirea ar exista.

În general, scopul criptografiei cuantice este de a îndeplini sarcini care sunt imposibile sau dificil de rezolvat cu criptografia convențională. Criptografia cuantică utilizează proprietățile subtile ale mecanicii cuantice, cum ar fi teorema fără clonare cuantică și principiul incertitudinii lui Heisenberg. Spre deosebire de criptografia convențională, a cărei securitate se bazează adesea pe ipoteze computaționale nedemonstrate, criptografia cuantică are un avantaj important prin faptul că securitatea sa se bazează adesea pe legile fizicii. Până în prezent, aplicațiile propuse ale criptografiei cuantice includ QKD, angajamentul de biți cuantici și aruncarea cuantică a monedelor. Aceste aplicații au grade diferite de succes. Cea mai de succes și importantă aplicație – QKD – s-a dovedit a fi necondiționat sigură. Mai mult, QKD experimentală a fost efectuată acum pe sute de kilometri atât prin fibre optice comerciale standard de telecomunicații, cât și în aer liber. De fapt, sistemele comerciale QKD sunt disponibile în prezent pe piață [5].

Partajarea secretelor clasice poate fi utilizată în mai multe moduri, pe lângă un cont curent comun. Cheia secretă ar putea accesa un seif bancar, un cont de computer sau oricare dintre o varietate de lucruri. În plus, partajarea secretelor este o componentă necesară pentru efectuarea de calcule distribuite securizate între un număr de persoane care nu au încredere deplină una în cealaltă. Odată cu explozia calculului cuantic, pare posibil, chiar probabil, ca stările cuantice să devină aproape la fel de importante ca datele clasice. Prin urmare, ar putea fi util să existe o modalitate de a partaja stările cuantice secrete, precum și datele clasice secrete. O astfel de schemă de partajare a secretelor cuantice (prescurtată QSS) ar putea fi utilă pentru partajarea cheilor cuantice, cum ar fi cele utilizate în distribuția cheilor cuantice sau în alte protocoale criptografice cuantice. În plus, QSS ne-ar putea permite să profităm de puterea suplimentară a calculului cuantic în calculele distribuite securizate.

Imaginați-vă că au trecut cincisprezece ani și cineva anunță construirea cu succes a unui computer cuantic mare. New York Times publică un articol pe prima pagină care relatează că toți algoritmii cu cheie publică utilizați pentru a proteja internetul au fost sparte de computerul cuantic. Poate că, după ce au văzut computerele cuantice distrugând RSA, DSA și ECDSA, utilizatorii de internet vor trage concluzia rapidă că criptografia a murit. Pentru a rezolva problema, unii cercetători au oferit ideea criptografiei post-cuantice, care se referă la cercetarea primitivelor criptografice (de obicei criptosisteme cu cheie publică) care nu sunt fragile folosind computere cuantice. Acest termen a apărut deoarece majoritatea criptosistemelor cu cheie publică populare în prezent se bazează pe problema factorizării întregilor sau pe problema logaritmului discret, ambele fiind ușor rezolvabile pe computere cuantice suficient de mari folosind algoritmul lui Shor [6] [7]. Chiar dacă calculul cuantic experimental actual, cunoscut publicului larg, nu este nici pe departe suficient de puternic pentru a ataca criptosistemele reale, mulți criptografi cercetează noi algoritmi, în cazul în care calculul cuantic devine o amenințare în viitor. Această lucrare este popularizată de seria de conferințe PQCrypto din 2006.

În ultimii ani, o creștere remarcabilă a interesului în comunitatea științifică și industrială internațională a propulsat criptografia cuantică în informatica și fizica mainstream. În plus, criptografia cuantică devine din ce în ce mai practică într-un ritm rapid. Primul prototip de distribuție a cheilor cuantice [2] a funcționat pe o distanță de 32 de centimetri în 1989. De atunci, au fost efectuate două demonstrații experimentale suplimentare, care funcționează pe lungimi semnificative de fibră optică [8] [9]. Cel mai puternic sistem a demonstrat în prezent schimburi de chei securizate la 1 Mbit/s (peste 20 km de fibră optică) și 10 kbit/s (peste 100 km de fibră), realizate printr-o colaborare între Universitatea din Cambridge și Toshiba folosind protocolul BB84 cu impulsuri capcană.

În martie 2007, cea mai lungă distanță pe care a fost demonstrată distribuția cheilor cuantice folosind fibra optică este de 148,7 km, realizată de Laboratorul Național Los Alamos/NIST folosind protocolul BB84. În mod semnificativ, această distanță este suficient de lungă pentru aproape toate intervalele de timp găsite în rețelele de fibră optică de astăzi. Recordul de distanță pentru distribuția cuantică a cheilor (QKD) în spațiu liber este de 144 km între două dintre Insulele Canare, realizat printr-o colaborare europeană folosind fotoni inseparați (schema Ekert) în 2006 și folosind BB84 îmbunătățit cu stări capcană în 2007. Experimentele sugerează că transmisia către sateliți este posibilă, datorită densității atmosferice mai mici la altitudini mai mari. De exemplu, deși distanța minimă de la Stația Spațială Internațională la Telescopul pentru Deșeuri Spațiale ESA este de aproximativ 400 km, grosimea atmosferică este cu aproximativ un ordin de mărime mai mică decât în experimentul european, rezultând astfel o atenuare mai mică în comparație cu acest experiment.

Referințe

3. C. HBennettGBrassardCCrepeauet al., “Practical Quantum Oblivious Transfer,” in Proceedings of the 11th Annual International Cryptology Conference on Advances in Cryptology, 1992351366

4. GBrassardCCrepeauRJozsaet al., “A quantum bit commitment scheme provably unbreakable by both parties,” in Proceedings of the 1993 IEEE 34th Annual Foundations of Computer Science, 1993362371

5. H. -KLoand YZhaoQuantum Cryptography,” http://arxiv.org/abs/0803.2507/.

6. P. WShorPolynomial-Time Algorithms for Prime Factorization and Discrete Logarithms on a Quantum Computer,” http://arxiv.org/abs/quant-ph/9508027.

7. D. JBernsteinIntroduction to post-quantum cryptography ” Post-quantum cryptography, 2009

8. P. DTownsendJ. GRarityand P. RTapsterSingle photon interference in a 10 km long optical fibre interferometer,” Electronics Letters, 2976346351993

9. P. DTownsendJ. GRarityand P. RTapsterEnhanced single photon fringe visibility in a 10 km-long prototype quantum cryptography channel,” Electronics Letters, 2914129112931993

Sursa: Xiaoqing Tan (2012). ”Introduction to Quantum Cryptography”, din Theory and Practice of Cryptography and Network Security Protocols and Technologies, Cap. 5, http://dx.doi.org/10.5772/56092, licența CC BY 3.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu