20.12.2023. Profesor Artur Ekert, specjalista fizyki kwantowej. PAP/Leszek Szymański
Kryptografia kwantowa przenosi nacisk na bezpieczeństwo danych ze skomplikowanych równań matematycznych na zasady fizyki, których nie da się złamać – stwierdził pionier kryptografii kwantowej prof. Artur Ekert w wywiadzie dla PAP.
W poniedziałek o 14:00 zostanie zaprezentowane przełomowe połączenie wykorzystujące kwantową dystrybucję klucza (QKD) między Ministerstwem Cyfryzacji a Wojskową Akademią Techniczną. Ma ono na celu zaprezentowanie potencjału zwiększenia autonomii cyfrowej i możliwości polskiej technologii w zakresie bezpiecznej komunikacji.
Kryptografia służy do zabezpieczania wiadomości, czyniąc ją niezrozumiałą dla osób nieupoważnionych, ale zrozumiałą dla zamierzonego odbiorcy. W rezultacie informacje są szyfrowane, a tylko upoważniona osoba posiada klucz potrzebny do odszyfrowania wiadomości. W rezultacie, nawet jeśli wiadomość zostanie przechwycona, pozostaje ona nieskuteczna dla podsłuchujących.
„Historycznie kryptografia opierała się głównie na koncepcjach matematycznych, statystykach i obliczeniach prawdopodobieństwa. Można by twierdzić, że wcześniejsze techniki szyfrowania były podobne do łamigłówek” – wyjaśnił prof. Ekert podczas dyskusji z PAP. Dlatego jeśli szczególnie inteligentna osoba wymyśliła trudną łamigłówkę, to tylko kwestią czasu było, aż inna błyskotliwa osoba ją rozwiąże, co czyniło dalsze stosowanie tej metody szyfrowania niebezpiecznym.
Na przykład w tradycyjnych technikach kryptograficznych szyfrowanie tekstu polegało na zastępowaniu liter alfabetu innymi symbolami. Aby złamać kod, można było zidentyfikować najczęściej pojawiające się znaki w kryptogramie i porównać je ze statystykami częstotliwości występowania liter w danym języku. Następnie, podobnie jak w grze losowej, można było wywnioskować hasło.
Z czasem stało się oczywiste, że aby uzyskać bezbłędny szyfr, niezbędny jest tajny losowy jednorazowy klucz. Każda litera (lub znak) w wiadomości jest indywidualnie szyfrowana poprzez losowy proces. Sekwencja tych losowych przesunięć stanowi klucz do odszyfrowania wiadomości. Ten klucz może być użyty tylko raz i musi być co najmniej tak długi, jak sama wiadomość. „Losowość klucza przekłada się na losowość szyfrogramu” – wyjaśnił prof. Ekert podczas wykładu w Centrum Nauki Kopernik.
Tak więc, chociaż istnieje doskonały szyfr, głównym wyzwaniem jest dystrybucja kluczy, a konkretnie bezpieczna wymiana kluczy między stronami zaangażowanymi w komunikację. Należy pamiętać, że każda wiadomość powinna być szyfrowana nowym losowym kluczem.
Wymagało to, aby nadawcy i odbiorcy w tajemnicy generowali i wymieniali się losowymi kluczami.
To wyzwanie można obejść, stosując tak zwane algorytmy asymetryczne. Prof. Ekert wyjaśnił podczas wykładu, że jest to podobne do posiadania dwóch zestawów kluczy – jednego do zamykania sejfu i drugiego do jego otwierania. W związku z tym każdy może zaszyfrować wiadomość, ale tylko zamierzony odbiorca posiada środki do jej późniejszego odszyfrowania. W tych algorytmach asymetrycznych stosuje się problemy matematyczne, w których obliczenia są proste w jednym kierunku, ale trudne do odwrócenia, znając tylko wynik.
„Kryptografia kwantowa przeniosła nacisk (bezpieczeństwa danych – przyp. PAP) z matematyki na fizykę” – powiedział prof. Ekert w rozmowie z PAP. Zatem bezpieczeństwo danych opiera się na prawach fizyki, a nie na konstrukcjach matematycznych. A tych praw fizycznych nie można naruszyć.
Wyłoniły się dwie główne metody tworzenia szyfrów w kryptografii kwantowej. W połowie lat 80. Charles Bennett i Gilles Brassard zaproponowali wykorzystanie zasady nieoznaczoności Heisenberga do szyfrowania. Tymczasem prof. Artur Ekert niezależnie opracował technikę opartą na splątaniu kwantowym.
Profesor Ekert opracował metodę wykorzystującą zasady mechaniki kwantowej, aby mieć pewność, że nikt nie będzie mógł potajemnie obserwować wymiany tajnych kluczy.
Podczas procesu dystrybucji klucza kwantowego generowane są pary splątanych fotonów – jeden foton z każdej pary jest wysyłany do jednej osoby, a drugi do drugiej. Obaj odbiorcy muszą wykryć swoje fotony jednocześnie. Ponieważ fotony są splątane, zmierzenie właściwości jednego fotonu wywołuje zmiany w drugim (zjawisko, które Einstein nazwał „upiornym działaniem na odległość”) – w ten sposób znamy właściwości drugiego fotonu. Mierząc te cechy, możemy określić kolejne cyfry klucza jednorazowego.
Potencjalny podsłuchujący, próbujący przechwycić klucz, musiałby zmierzyć jeden ze splątanych fotonów, co niezmiennie pozostawiłoby ślad wykrywalny przez drugi foton, z którym jest splątany. Fizyka kwantowa zapobiega jakiejkolwiek formie „czystego” podsłuchu takiej transmisji, polegając na zjawisku splątania. Przed wykorzystaniem klucza przesłanego za pomocą środków kwantowych należy zweryfikować jego „integralność”. Wyniki pomiaru przechodzą testy zgodnie z tzw. równaniami Bella. Jeśli okaże się, że przed pomiarem na urządzeniu odbiorcy znanych było zbyt wiele cyfr klucza, oznacza to, że klucz jest naruszony i należy wygenerować nowy.
Co ciekawe, podejście prof. Ekerta prowadzi do kryptografii niezależnej od urządzenia. Oznacza to, że nawet urządzenie kryptografii kwantowej zakupione od przeciwnika może być bezpiecznie wykorzystane do transmisji klucza. Test Bella ujawni również wszelkie próby podsłuchu w tym scenariuszu.
Prof. Ekert zauważył, że w codziennych sytuacjach nie wszystkie informacje wymagają absolutnej ochrony. Zilustrował, że tajemnice na giełdzie są zazwyczaj przechowywane tylko przez jeden dzień, podczas gdy w medycynie mogą dotyczyć życia człowieka, a nawet dłużej w kontekście bezpieczeństwa wojskowego lub narodowego. Niemniej jednak mechanika kwantowa pokazuje, że informacje można zabezpieczyć w całości.
Prof. Artur Ekert jest profesorem fizyki kwantowej w Instytucie Matematyki w Oksfordzie, a także zajmuje stanowisko na Narodowym Uniwersytecie Singapuru. Urodził się w Polsce i kontynuował studia na Uniwersytecie Jagiellońskim. Jego nowatorska koncepcja wykorzystania splątania kwantowego do bezpiecznej komunikacji powstała podczas studiów doktoranckich na Uniwersytecie Oksfordzkim.
Na zaproszenie Centrum Nauki Kopernik i Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk badaczka odwiedziła w marcu Warszawę i wygłosiła wykład pt. „Prywatność dla paranoików – granice absolutnej tajemnicy”.
Ludwik Tomal (PAP)
Nauka w Polsce
lt/ pasek/
