Κβαντική ΚρυπτογραφίαΚβαντική Κρυπτογραφία

Καλογερά ΜαρίαΚαλογερά Μαρία

Τμήμα Φυσικής ΙωαννίνωνΤμήμα Φυσικής Ιωαννίνων

Τι είναι κβάντο(quantum) ;

• Γενικά, στη φυσική, ο όρος κβάντο ή κβάντουμ αναφέρεται σε μια αδιάστατη μονάδα ποσότητας.

• - ως μια ποσότητα(γενικά)• - ως μια μονάδα φωτός• - ως ελάχιστη ποσότητα στην οποία εκκρίνεται

ενας νευροδιαβιβαστής, ειδικότερα

• Ένα φυσικό μέγεθος είναι δυνατόν να είναι “κβαντισμένο”, πράγμα που σημαίνει ότι το μέγεθος αυτό δεν μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή, αλλά μόνο συγκεκριμένες τιμές.

Κβαντική κρυπτογραφία

• Το κβαντικό σύστημα κρυπτογραφίας είναι μια επέκταση της κβαντικής επικοινωνίας δεδομένου ότι στέλνει τα σωματίδια χρησιμοποιώντας την κβαντική τηλεμεταφορά. Τα σωματίδια κωδικοποιούνται σε κβαντικές καταστάσεις και στέλνονται στον δέκτη. Οι καταστάσεις αντιπροσωπεύουν τις κωδικοποιημένες πληροφορίες που μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία και να γίνουν κατανοητές μόνο από αυτόν που τις λαμβάνει.

• Εαν άλλος παρατηρητής προσπαθήσει να εξετάσει τις πληροφορίες που στέλνονται, πρέπει να ξέρει το σχέδιο κωδικοποίησης, επειδή η μετάδοση καταστρέφεται μόλις παρατηρηθεί.

Κρυπτογραφία

• Η λέξη «κρυπτογραφία» προέρχεται από τα συνθετικά “κρυπτός+γράφω” και είναι ένας επιστημονικός κλάδος που ασχολείται με την μελέτη, την ανάπτυξη και την χρήση τεχνικών κρυπτογράφησης και αποκρυπτογράφησης με σκοπό την απόκρυψη μηνυμάτων.

• Η κρυπτογραφία έχει στόχο να παρέχει μηχανισμούς για 2 ή περισσότερα μέλη να επικοινωνήσουν χωρίς κάποιος άλλος να είναι ικανός να διαβάζει την πληροφορία εκτός απο τα μέλη.

Η πρώτη ιδέα

• Σε μια εργασία του ο Stephen Wiesner ανακάλυψε γύρω στα 1970 ότι τα κβαντικά φαινόμενα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να παράγουμε τραπεζογραμμάτια που δεν θα μπορούσαν να πλαστογραφηθούν. Ο μόνος που έδωσε σημασία σ αυτή την επαναστατική ιδέα ήταν ο Charles Bennett. Το 1989 ο Bennett μαζί με τον John A. Smolin και Gilles Brassard πραγματοποίησαν ένα πρωτο ποριακό πείραμα βασισμένο στις αρχές της κβαντομηχανικής. Η ομάδα συναρμολόγησε μια πειραματική διάταξη όπου τα φωτόνια διέτρεχαν ένα κανάλι μήκους 30cm σε ένα φωτοστεγές κουτί. Η διεύθυνση κατά την οποία ταλαντωνόταν το ηλεκτρικό πεδίο των φωτονίων, η πόλωση τους, αναπαριστούσε τα 0 και 1.

Κβαντική πληροφορία-qbit• Μια σημαντική έννοια στην

μελέτη της κβαντικής κρυπτογραφίας είναι αυτή της κβαντικής πληροφορίας στην κλασική ψηφιακή θεωρία πληροφορίας, η βασική μονάδα είναι το bit, μια μονάδα που μπορεί να πάρει την τιμη 0 και 1. Το qbit αποτελεί ένα καταστατικό διάνυσμα ενός κβαντικού συστήματος δύο καταστάσεων. Η διαφορά του bit από το qbit είναι ότι το qbit καθορίζεται πιθανοκρατικά κατά την ανάγνωση του, βάσει της κυματοσυνάρτησης που εκφράζει το σύστημα που χρησιμοποιούμε για να κωδικοποιήσουμε την πληροφορία στον φυσικό κόσμο.

Πρωτόκολλο ΒΒ84

• Κβαντική κατανομή κλειδιού(QKD)

• Μέθοδος για δημιουργία και κατανομή τυχαίων κλειδιών κρυπτογράφησης με χρήση αρχών της κβαντικής φυσικής

• Δεν συνιστά αυτόνομο κρυπτογραφικό αλγόριθμο

Παράδειγμα μετάδοσης-Πολωμένα φωτόνια

• Η μέθοδος χρησιμοποιεί φωτόνια και συνεπώς υλοποιείται εύκολα μέσω συνδέσεων οπτικών ινών.

• Η κωδικοποίηση των δυαδικών τιμών 0 και 1 γίνεται στην πόλωση του φωτονίου.

• Τα φωτόνια μπορούν να πολωθούν οριζόντια,κάθετα ή διαγώνια.

• Σε πρώτο στάδιο οι δυό μεριές συμφωνούν σε έναν κοινό συμβολισμό.

• Ο αποστολέας επιλέγει ένα bit και στέλνει ένα τυχαίο πολωμένο φωτόνιο.

• Ο δέκτης επιλέγει τυχαία ένα φίλτρο πόλωσης.

• Αφού σταλθούν όλα τα φωτόνια,ο δέκτης αναφέρει ποια φίλτρα χρησιμοποίησε για κάθε bit και ο αποστολέας ενημερώνει ποιες επιλογές ήταν σωστές.

• Τα bit για τα οποία ο δέκτης επέλεξε τα σωστά φίλτρα συγκροτούν το κλειδί.

Παρακολούθηση

• Τι συμβαίνει αν κάποιος ανακαλύπτει ποια φίλτρα επιλέχθηκαν και ποια από αυτά ήταν σωστά;

• Ένας τρίτος δεν μπορεί να αντιγράψει προτού το διαβάσει,επομένως θα πρεπει να επιλέξει ένα φίλτρο και στη συνέχεια να στείλει το φωτόνιο στον αποδέκτη.

• Αν επιλέξει λανθασμένα θα στείλει το λάθος φωτόνιο οπότε ο δέκτης θα επιλέξει ένα φίλτρο και θα καθορίσει τα δυαδικά bit βασισμένος στα φωτόνια του υποκλοπέα.

• Η παρουσία του μπορεί να ανιχνευθεί.

Ενίσχυση εμπιστευτικότητας

•Είναι η γενική διαδιακασία κατασκευής κλειδιού από μια κοινή ακολουθία από bits όταν ο υποκλοπέας γνωρίζει κάποιο μέρος από την ακολουθία(Privacy Amplification).

• Η πρώτη δημόσια εφαρμογή της κβαντικής κρυπτογραφίας έγινε το 2007 στις εκλογές στο καντόνι της Γενεύης στην Ελβετία, όπου το νέο σύστημα εγγυήθηκε ότι η ηλεκτρονική ψηφοφορία ήταν ασφαλής και ότι δεν χάθηκε καμία ψήφος στη μετάδοση από τα εκλογικά κέντρα.

Είναι απαραβίαστη σήμερα;

• Ο καθηγητής Βαντίμ Μακάροφ του νορβηγικού πανεπιστημίου και συνεργάτες του από τη Σουηδία και τη Ρωσία υποστηρίζουν ότι τυχόν κακόβουλοι τρίτοι μπορούν να ελέγξουν από μακριά τον εξοπλισμό του λήπτη και να αποκωδικοποιούν τα σήματα που, μέσω των φωτονίων, στέλνει ο αποστολέας. Όπως δήλωσαν, έχουν ανακαλύψει ότι δύο από τις τρεις συχνότερα χρησιμοποιούμενες συσκευές κβαντικής κρυπτογραφίας είναι ευάλωτες από άποψη ασφάλειας.

• Το μέλλον θα δείξει αν οι αποκρυπτογράφοι θα μείνουν χωρίς δουλειά!