Сучасні квантові криптографічні лінії зв’язку

СУЧАСНІ КВАНТОВІ КРИПТОГРАФІЧНІ ЛІНІЇ ЗВ’ЯЗКУ

1. Загальні відомості з квантової криптографії

Криптографія – мистецтво винаходу кодів і шифрів. Як мистецтво воно було відоме ще з часів Цезаря. Криптографія була потрібна завжди – сильним світу того і цього завжди було що ховати від очей і вух простого народу, але особливо інтенсивно вона розвивалася під час світових війн. Досить згадати розробку Німеччиною шифрувальної машини "Енігма" і героїчні зусилля англійських фахівців з розробки методу дешифрації її коду, які сприяли становленню й розвитку обчислювальних машин. Сучасна криптографія одержала потужний імпульс для свого вдосконалювання завдяки швидкому розвитку персональних комп'ютерів і мережі Інтернет, що сприяли, завдяки можливості використати захищені механізми електронного підпису, розвитку бізнесу. Нова ера криптографії почалася з ідеї про можливості розробки квантового комп'ютера, що спочатку кинула фахівців у шок, коли вони зрозуміли, що такий комп'ютер у лічені секунди зможе зламати будь-який шифр, а потім стала потужним стимулом для тих же фахівців у розробці протиотрути – квантової криптографії. Запропонований нижче огляд має на меті – и дати, можливість рядовим читачам розібратися, що ж дає квантова криптографія і як вона вирішує проблеми захисту нас від зломщиків.

Класична криптографія стала наукою тоді, коли разом з евристикою поклала в основу криптоаналіз – мистецтво розробки процедур, що ведуть до дешифрації кодів. Комбінація криптографії і криптоаналізу спричинила появу криптології – науки про шифрацію та дешифрацію повідомлень.

Шифрування – це процес переведення вихідного (відкритого) тексту m у зашифрований текст С – шифрограмму, за допомогою функції шифрації E – процедури, застосовуваної до спеціального ключа до (або двох ключів) і тексту m: C = E(k, m).

Якщо традиційна криптографія впродовж століть використовувала для функції шифрації процедури перестановки й підстановки (заміни) символів/слів, то сучасна криптографія ґрунтується на використанні техніки надточних алгоритмів для досягнення гарантованої безпеки. Використовується процедура додавання по модулю 2 потокових біт/букв (для потокових шифрів) або блоку біт/букв (для блокових шифрів). Тоді для потокових шифрів маємо: C_i = m_i k_i Ú_i k_i при шифрації и m_i = Q k_i Ú k_i =Q k_i при дешифрації.

Обмін шифрованими повідомленнями відбувається звичайно з двох боків: передавального – А и приймаючого – В. Припускається також, що повідомлення, передане з боку А до В, може бути перехоплено оператором перехоплення повідомлень (eavesdropper), роль якого грає абонент - Е.

Усі криптографічні системи поділяються на два класи: симетричні й несиметричні.

Симетричні криптосистеми, або системи із секретним ключем (private key), – це такі системи, у яких один секретний ключ застосовується як для шифрації, так і дешифрації переданої інформації. У цьому випадку абонент А та абонент Б володіють якоюсь секретною інформацією – ключем, що не повинен бути відомий абоненту Е.

Абсолютна захищеність симетричної системи має місце за наступних умов:

- Ключ є абсолютно випадковим;

- Довжина ключа дорівнює довжині самого повідомлення (що визначає використання потокової техніки генерації ключа);

- Ключ, як правило, є одноразовим, тобто використовується тільки один раз для передачі одного повідомлення або в одному сеансі зв'язку (більш докладно див. нижче).

Однією з основних проблем симетричних криптосистем є передача або розподіл секретного ключа між користувачами. Спроби використати той самий ключ багато разів (хоча й припустимі) призводять до виникнення певної структури в шифрованому тексті, і ворог може цим скористатися для дешифрації повідомлень. Недоліком такої системи є необхідність абоненту А та абоненту Б мати у своєму розпорядженні більший набір випадкових двійкових послідовностей для використання їх у якості ключів.

При інтенсивному обміні повідомленнями ці набори рано чи пізно будуть витрачені, і знову виникне проблема передачі ключа. Найбільш надійний спосіб – особиста зустріч абонента А з абонентом Б, але в силу ряду причин така зустріч може виявитися неможливою.

Прийнято вважати, що обчислення, що складаються з 2⁸⁰ кроків, сьогодні важко здійснити, тому передбачається, що секретний ключ має мати довжину, принаймні, 80 біт. Зараз секретні ключі мають довжину 128/192/256 біт, тобто вимагають аналізу 2^128/192/256 варіантів перебирання, що робить відладку (розкриття) коду важкорозв'язним завданням. Однак прогрес у зростанні швидкодії процесорів змушує й далі збільшувати довжину ключа. Не маючи цього ключа, оператор перехоплення повідомлень спостерігає лише випадкову послідовність біт.

У світлі проблем доставки у симетричних криптографічних системах були розпочаті спроби створення систем, які не потребували б доставки секретного ключа. Вони призвели до створення несиметричних криптографічних систем.

Несиметричні криптосистеми, або системи з відкритим ключем (public key), – це такі системи, які мають справу з парами ключів. Один з них (відкритий ключ) використовується для шифрації, у той час як інший (секретний ключ) – для дешифрації повідомлень. Якщо хтось надсилає вам повідомлення, то він шифрує його, використовуючи ваш відкритий ключ,