Hakerzy przechwycili klucz kwantowy

Powszechnie uważa się, że kod kwantowy jest nie do złamania. W praktyce wiadomo jednak, że nie jest to do końca prawdą. Jedna z niedoskonałości kryptografii kwantowej została ujawniona przez fizyków z Singapuru i Norwegii, którym udało się skopiować klucz kwantowy bez ujawnienia swojej obecności zarówno nadawcy, jak i odbiorcy. Obecnie naukowcy pracują nad usunięciem wykrytej luki.

Zgodnie z zasadami kryptografii kwantowej, informacje kodowane są przy użyciu klucza, chronionego przez zasady mechaniki kwantowej: jakikolwiek akt pomiaru wpływa na stan układu, powodując jego zaburzenie. W jednym z popularnych schematów, nadawca „Alicja” wysyła klucz w postaci serii spolaryzowanych pojedynczych fotonów do odbiorcy „Boba”. Alicja losowo ustawia polaryzację każdego fotonu albo za pomocą poziomego lub pionowego polaryzatora albo polaryzatora z dwoma diagonalnymi osiami. Bob rejestruje każdy foton również za pomocą jednego z dwóch polaryzatorów. Jeżeli Bob wybierze ten sam polaryzator co Alicja, wówczas uda mu się zmierzyć właściwą polaryzację danego fotonu. W przeciwnym razie, polaryzacja zarejestrowanego fotonu nie będzie zgodna z polaryzacją fotonu wysłanego przez Alicję. Po dokonaniu wszystkich pomiarów, Bob komunikuje się z Alicją na publicznym kanale, aby powiedziała mu, który polaryzator wybrała dla każdego fotonu. Bob sprawdza, dla których zdarzeń udało mu się wybrać właściwy polaryzator i w oparciu o te dane tworzy sekretny klucz.

Kwantowy podsłuch

Zgodnie z teorią, „Ewa” – podsłuchiwacz – pragnąca dokonać pomiaru polaryzacji fotonów wysyłanych przez Alicję do Boba, prędzej, czy później ujawni swoją obecność, ponieważ wraz z każdym kolejnym popełnionym błędem pomiarowym, zaburzenie układu będzie stawać się coraz większe. Oznacza to, że w niektórych przypadkach, dla których Bob powinien dokonać prawidłowego pomiaru polaryzacji fotonu, może uzyskać nieprawdziwą informację. Bob ponownie komunikuje się z Alicją. Poprzez porównanie niewielkiego podzbioru sekretnego klucza, Bob zdaje sobie sprawę o obecności intruza, ponieważ analizowany podzbiór zawiera wiele błędów.

Christian Kurtsiefer wraz z kolegami z National University of Singapore oraz z Uniwersytetu w Trondheim znaleźli sposób, aby ukryć obecność Ewy wykorzystując „słabość” detektorów pojedynczych fotonów. Mianowicie, zastosowali strumień światła o bardzo dużej intensywności do „oślepienia” czterech fotodiod lawinowych, których Bob używa do wykrywania fotonów. „Oślepione” fotodiody nie były już dłużej czułe na pojedyncze fotony. Zamiast zachowywać się jak klasyczne detektory, generowały prąd proporcjonalny do intensywności padającego światła i reagowały na impulsy światła powyżej pewnego progu intensywności. „Detektory są jak ludzkie oczy, które w nocy mogą niemal rozróżnić pojedyncze fotony, zaś w ciągu dnia nie są już w stanie tego zrobić, ponieważ są „zalewane” zewsząd światłem”, powiedział Vadim Makarov z zespołu z Trondheim.

Nieświadomi rozmówcy

Ewa przechwytuje każdy foton wysłany przez Alicję, mierząc ich polaryzację za pomocą losowo wybranych polaryzatorów. Wraz z każdym następnym pomiarem Ewa wysyła do detektora Boba impulsy światła, powyżej progu intensywności detektora, o takiej samej polaryzacji co zmierzone wcześniej fotony. Opisana sytuacja powoduje utratę zdolności Boba do przypadkowego przypisania polaryzatorów dla każdego fotonu. Tym samym możliwości ustawiania polaryzatorów przez Boba są silnie ograniczone do sekwencji polaryzacji generowanej przez Ewę. Oznacza to, że Bob i Alicja publicznie porównujący podzbiór użytego klucza, nie wykryją żadnych błędów. Innymi słowy, Ewa poznała klucz i pozostała w ukryciu.

Kurtsiefer wraz z kolegami do sprawdzenia swojej teorii wykorzystali łącza światłowodowe o długości 290 metrów znajdujące się na terenie kampusu National University w Singapurze. Korzystali z urządzenia, mieszczącego się wewnątrz walizki (patrz zdjęcie), służącego do przechwytywania oraz emisji pojedynczych fotonów. W ciągu zaledwie 5 minut urządzenie przechwyciło ponad osiem milionów fotonów a następnie przekazało odpowiadające im impulsy, do odbiorcy.

Luki w zabezpieczeniach

Przeprowadzony eksperyment nie był pierwszym, który ujawnił możliwość potajemnego skopiowania klucza kwantowego. W ciągu ostatnich trzech lat, Hoi-Kwong Lo z University of Toronto wraz ze współpracownikami ujawnili szereg luk w komercyjnych systemach kwantowej kryptografii, podczas gdy w ubiegłym roku badania grupy Makarova wykazały, że komercyjne systemy mogą zostać unieruchomione przy użycia światła o bardzo dużej intensywności. Ale, jak zaznaczył Makarov, ich praca po raz pierwszy pokazała fakt istnienia kompletnego układu do kwantowego podsłuchu i przechwycenia klucza kwantowego.

„Wcześniej wykazaliśmy, że systemy kryptografii kwantowej są podatne na zagrożenia przechwytu informacji”, wyjaśnił, „a teraz zademonstrowaliśmy sposób w jaki wykryte przez nas luki mogą być praktycznie wykorzystane.” Makarov, uważa jednak, że tą lukę będzie można skorygować. Jednym z możliwych rozwiązań byłoby umieszczenie małego źródła pojedynczych fotonów naprzeciwko czujników Boba i włączanie go w przypadkowych odstępach czasu, aby upewniać się, że czujniki nadal mogą rejestrować pojedyncze fotony. Jeżeli detektory nie działałaby poprawnie, wtedy Alicja z Bobem byliby powiadamiani o obecności Ewy. „Celem naszych badań jest uczynienie kryptografii kwantowej bardziej bezpiecznej,” dodał Makarow.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com