Инновационная методика поможет в развитии технологий квантовой криптографии
Ученые Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» Национального исследовательского технологического университета «МИСИС» провели эксперименты по фильтрации уровней классического и квантового шумов в квантовом генераторе случайных чисел. Они смогли понять, как исключить возможность внешнего вмешательства в процесс генерации случайных последовательностей.
Фото: МИСИС
Хакеры не спят
В начале октября 2013 года в интернете появилась информация о масштабной утечке информации в компании Adobe. Руководство ИТ-корпорации заявило, что хакеры смогли украсть почти три миллиона зашифрованных записей кредитных карт клиентов и реквизиты транзакций. Помимо этого, в сеть утекли авторизационные данные для входа неопределенного числа пользователей.
Позже специалисты по кибербезопасности подсчитали, что опубликованные файлы на самом деле содержали более 150 миллионов пар имен пользователей и хешированных паролей, взятых у Adobe. Дальнейшее расследование показало, что взлом также раскрыл имена клиентов, их идентификаторы, пароли и информацию о дебетовых и кредитных картах.
Компании пришлось выплачивать огромные компенсации по коллективному судебному иску пользователей и впоследствии серьезно заняться безопасностью своих платформ.
За прошедшие 10 лет число киберпреступлений выросло в сотни раз: практически каждая крупная компания хотя бы раз пострадала от рук хакеров. Они выставляют на продажу в даркнете огромные базы данных с информацией о пользователях почти всех известных соцсетей, а также бесконечное количество скомпрометированной платежной информации с банковских карт.
Современная сетевая безопасность целиком построена на шифровании. Это процесс, когда обычный текст превращается в зашифрованный при помощи уникального криптографического ключа. Информацию могут прочитать только авторизованные стороны, у которых есть этот ключ. Он представляет собой набор математических значений, известных и согласованных отправителем и получателем.
Специалисты непрерывно создают все более сложные способы шифрования, которые сделают процесс расшифровки или подбора ключей хакерами функционально невозможным. Но и киберпреступники не сидят без дела и придумывают все более хитрые способы доступа к данным, ведь на кону стоят огромные деньги.
Шифрование как норма жизни
Шифрование действительно применяется повсюду, даже если его на первый взгляд не видно. Оно используется в 99% веб-страниц в браузере, для отправки электронных писем, в облачных структурах, для передачи конфиденциальных данных в корпорациях, для проведения транзакций через платежные сервисы и так далее. Защита от внешнего вмешательства является неотъемлемой частью любого из конфиденциальных цифровых процессов: коммуникаций, финансов, торговли, критически важной инфраструктуры, здравоохранения и многих других областей нашей повседневной жизни.
Обычно сложно заранее оценить, какие будут последствия, если у злоумышленника появляется доступ к важной чувствительной информации. Что же тогда случится с интернетом, если завтра шифрование просто перестанет работать?
Это главный страх всех специалистов по кибербезопасности, и он вполне реален. Ситуация, когда все современные способы криптографии окажутся бессильны, даже имеет название – Q-Day. В этот день квантовые компьютеры научатся практически моментально подбирать ключи шифрования для основных криптографических протоколов, а значит, любые данные станут доступны в дешифрованном виде, в том числе популярная криптовалюта – биткоин.
Запутанная проблема
Сейчас мир стоит на пороге технологической революции с появлением квантовых компьютеров, которые обещают беспрецедентную вычислительную мощность и способность решать сложные задачи, которые не под силу классическим компьютерам. Государства вкладывают огромные средства в гонку технологий, чтобы стать лидером в новой технологической эре.
В современном мире оптоволоконные каналы связи стали основным способом передачи информации в мире. Они используют фотоны света в качестве носителя информационного сигнала. Поэтому пропускная способность волоконно-оптических линий связи теоретически может измеряться терабитами в секунду. Еще такие каналы не подвержены электромагнитным помехам. В качестве источника света оптоволоконные каналы используют лазерный передатчик, который генерирует сигнал на определенной частоте.
Инженеры во всем мире занимаются квантовой криптографией, которая должна защитить чувствительную информацию от кибератак с помощью тех же самых квантовых компьютеров. Технология построена на квантовом распределении ключей, когда одиночные биты информации в одиночных фотонах или ослабленных лазерных импульсах кодируются в линиях волоконно-оптической связи.
При попытке внешнего доступа к таким данным, согласно фундаментальным законам квантовой механики, происходит изменение физических параметров частиц. Даже простая попытка измерения квантовой системы нарушает ее и ведет к появлению аномалии. Это дает возможность незамедлительно обнаружить попытку взлома.
Первая работающая квантово-криптографическая схема была построена еще в 1989 году в Исследовательском центре компании IBM. С тех пор технология прошла большой путь и получила огромное развитие в мире. На сегодняшний день не разработано ни одного практического квантового компьютера. Однако квантовые вычисления являются очень активной областью исследований, особенно в последние годы: был достигнут большой прогресс. Реальные машины с достаточной вычислительной мощностью могут появиться уже через 5-10 лет.
Впрочем, у этого метода остаются существенные недостатки: чем на большее расстояние передаются фотоны, тем больше частиц теряются из-за шумов и декогеренции. Это процесс, при котором окружение разрушает квантовую природу вещей. Таким образом снижается общая пропускная способность, используемая для формирования секретного ключа.
Например, в 2023 году ученые Индийского технологического института в Дели добились прямого распределения квантовых ключей на расстояние до 380 км по стандартному телекоммуникационному волокну с очень низкой частотой ошибок.
Защита от всего
Новый метод оценки шумов, который повысит уровень надежности систем квантовой криптографии, разработали отечественные инженеры Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» Национального исследовательского технологического университета «МИСИС» (НИТУ МИСИС). Ученые предложили новый подход к оценке уровней классического и квантового шумов в квантовом генераторе случайных чисел. Это важный параметр оценки большинства систем квантового распределения ключей, в том числе алгоритмов шифрования и численного моделирования.
Недавно инженеры НИТУ МИСИС в составе международной исследовательской группы уже сделали важное открытие в области квантовой криптографии. Они разработали самый быстрый и доступный квантовый генератор случайных чисел. Устройство может генерировать случайные числа со скоростью 8,05 Гб в секунду, а также подтверждает их случайный характер в режиме реального времени. Результаты квантовых измерений невозможно точно предсказать, в отличие от чисел, которые может выдать обычный компьютер.
Теперь инженеры Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСИС смогли понять, как отфильтровывать классические и квантовые шумы, чтобы исключить возможность внешнего вмешательства в процесс генерации случайных последовательностей. Это повышает надежность квантового генератора случайных чисел еще на один уровень.
Квантовый шум – это следствие принципа неопределенности Гейзенберга, одного из фундаментальных квантовых законов. Он гласит, что некоторые физические величины невозможно абсолютно точно измерить. То есть они не могут в конкретном моменте времени иметь точные значения.
Ученые представили теоретические и экспериментальные методы оценки случайных изменений фазы в полупроводниковом лазере, который является распространенным источником квантовой случайности в генераторах случайных чисел. Эксперимент был подробно описан в международном журнале Physical Review A (Q2).
«Мы разработали способ, позволяющий оценить вклады классического и квантового шумов в интерференцию лазерных импульсов при наличии фазовых корреляций. Также мы предложили простой экспериментальный метод, основанный на анализе так называемых „статистических интерференционных полос«, который позволяет получить подробную информацию о вероятностных свойствах лазерного излучения», – пояснил заведующий лабораторией элементной базы квантовых коммуникаций НИТУ МИСИС Роман Шаховой.
В ходе экспериментов выяснилось, что даже при фазовом дрейфе в оптической схеме интерференция лазерных импульсов все еще сохраняла свои квантовые свойства. То есть при случайных изменениях фазы в импульсном излучении полупроводниковых лазерных диодов одиночные биты информации не теряют своих изначальных свойств.
Новый подход позволяет получить более подробную информацию о вероятностных свойствах лазерных импульсов и тем самым повысить надежность квантовых генераторов случайных чисел и, как следствие, систем квантового распределения ключей. Что в свою очередь может значительно продвинуть вперед всю квантовую криптографию.
Теперь инженеры Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСИС начали проводить исследования интерференции. Это позволит широко внедрить новые типы шифрования в общедоступные информационные сети намного раньше, чем наступит Q-Day. А значит, конфиденциальная информация останется защищенной от злоумышленников.
