20.12.2023. Profesor Artur Ekert, ekspert w dziedzinie fizyki kwantowej. PAP/Leszek Szymański
Kryptografia kwantowa przenosi nacisk na bezpieczeństwo danych z zagadek matematycznych na zasady fizyki, których fundamentalnie nie da się złamać – stwierdził w wywiadzie dla PAP innowator kryptografii kwantowej prof. Artur Ekert.
W poniedziałek o 14:00 zostanie zaprezentowane przełomowe połączenie wykorzystujące kwantową dystrybucję klucza (QKD) między Ministerstwem Cyfryzacji a Wojskową Akademią Techniczną. Demonstracja ma na celu podkreślenie potencjału zwiększenia autonomii cyfrowej i możliwości polskiej technologii w zakresie bezpiecznej komunikacji.
Kryptografia służy do ochrony wiadomości, czyniąc ją niezrozumiałą dla nieupoważnionych osób, a jednocześnie pozostając zrozumiałą dla zamierzonego odbiorcy. W związku z tym informacje są szyfrowane, a tylko wyznaczona osoba posiada klucz niezbędny do odszyfrowania. Zapewnia to, że przechwycone wiadomości pozostają bezwartościowe dla potencjalnych podsłuchujących.
„Historycznie kryptografia opierała się w dużej mierze na matematyce, statystyce i obliczeniach prawdopodobieństwa. Można powiedzieć, że wcześniejsze techniki szyfrowania przypominały łamigłówki” – wyjaśnił prof. Ekert w wywiadzie dla PAP. Jeśli ktoś sprytny wymyślił trudną łamigłówkę, w końcu pojawiała się inna równie błyskotliwa osoba, która ją rozwiązywała. W związku z tym poleganie na takich łamigłówkach w szyfrowaniu stawało się coraz bardziej niebezpieczne.
Na przykład wcześniejsze techniki kryptograficzne polegały na zastępowaniu liter alfabetu różnymi symbolami. Aby złamać kod, można było analizować częstotliwość występowania pewnych znaków w kryptogramie i porównywać je ze statystycznym wykorzystaniem liter w określonym języku. Ostatecznie, podobnie jak w teleturnieju, można było wywnioskować hasło.
Z czasem stało się oczywiste, że aby osiągnąć idealny szyfr, niezbędny jest tajny losowy klucz jednorazowy. Każda litera (lub znak tworzący wiadomość) jest szyfrowana niezależnie i losowo. Sekwencja tych losowych przesunięć stanowi klucz do odszyfrowania wiadomości. Klucz musi być wykorzystany tylko raz i powinien być co najmniej tak długi, jak sama wiadomość. „Losowość klucza odzwierciedla się w losowości szyfrogramu” – wyjaśnił prof. Ekert podczas prezentacji w Centrum Nauki Kopernik.
Tak więc, podczas gdy istnieje bezbłędny szyfr, poważnym wyzwaniem jest dystrybucja kluczy, czyli bezpieczna wymiana kluczy między komunikującymi się stronami. Każda wiadomość powinna być w końcu zaszyfrowana nowym losowym kluczem.
Wymagało to od nadawców i odbiorców wygenerowania losowych kluczy i bezpiecznego ich udostępnienia.
Problem ten można rozwiązać za pomocą algorytmów asymetrycznych. Prof. Ekert wyjaśnił podczas wykładu, że jest to podobne do posiadania dwóch zestawów kluczy — jednego do zamykania sejfu i drugiego do jego otwierania. W konsekwencji każdy może zaszyfrować wiadomość, ale tylko odbiorca posiada środki do jej późniejszego odszyfrowania. Algorytmy asymetryczne wykorzystują problemy matematyczne, w których obliczenia są proste w jednym kierunku, ale odwrócenie procesu przy użyciu jedynie wyniku jest trudne.
„Kryptografia kwantowa przeniosła nacisk (bezpieczeństwa danych – przyp. PAP) z matematyki na fizykę” – powiedział prof. Ekert dla PAP. Dlatego bezpieczeństwo danych opiera się na prawach fizyki, a nie na ramach matematycznych, które są z natury niezniszczalne.
Istnieją dwie podstawowe metody opracowywania szyfrów w kryptografii kwantowej. W połowie lat 80. Charles Bennett i Gilles Brassard zaproponowali zastosowanie zasady nieoznaczoności Heisenberga w szyfrowaniu. Tymczasem prof. Artur Ekert niezależnie opracował metodę opartą na zasadzie splątania kwantowego.
Profesor Ekert opracował koncepcję wykorzystania praw mechaniki kwantowej w celu zapewnienia, że żadna nieupoważniona osoba nie będzie mogła 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. Obie strony muszą jednocześnie wykryć swoje fotony. Ponieważ fotony są splątane, zmierzenie atrybutów jednego fotonu powoduje zmiany we właściwościach drugiego fotonu (które Einstein określił jako „upiorne działanie na odległość”) — co pozwala nam poznać charakterystykę drugiego fotonu. Oceniając te właściwości, wyprowadzamy kolejne cyfry jednorazowego klucza.
Podsłuchujący próbujący przechwycić klucz musiałby zmierzyć jeden ze splątanych fotonów, co niezmiennie pozostawiłoby ślad wykrywalny przez drugi foton z nim powiązany. Fizyka kwantowa zabrania „czystego” podsłuchiwania takich transmisji na podstawie splątania. Przed wykorzystaniem klucza przesłanego za pomocą środków kwantowych należy zweryfikować jego „integralność”. Wyniki pomiaru przechodzą testy za pomocą tak zwanych równań Bella. Jeśli zostanie ustalone, że przed pomiarem na urządzeniu odbiorcy znana była nadmierna liczba cyfr klucza, oznacza to, że klucz jest naruszony, co wymaga wygenerowania nowego.
Co ciekawe, podejście prof. Ekerta prowadzi do kryptografii niezależnej od urządzenia. Oznacza to, że nawet urządzenie kryptografii kwantowej pochodzące od przeciwnika może być bezpiecznie używane do transmisji klucza. Test Bella nadal identyfikowałby wszelkie próby podsłuchu.
Prof. Ekert zauważył ponadto, że nie wszystkie informacje w życiu codziennym wymagają absolutnej ochrony. Podał przykład, że na giełdzie tajemnice zazwyczaj pozostają tajne tylko przez jeden dzień, podczas gdy w medycynie mogą dotyczyć długości życia danej osoby, a nawet dłużej w przypadku tajemnic wojskowych lub państwowych. Jednak mechanika kwantowa pokazuje, że informacje można zabezpieczyć z całkowitą pewnością.
Prof. Artur Ekert jest profesorem fizyki kwantowej w Instytucie Matematyki w Oksfordzie, a także wykłada na Narodowym Uniwersytecie Singapuru. Pochodzi z Polski, studiował na Uniwersytecie Jagiellońskim. Jego rewolucyjna 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, gdzie wygłosiła wykład pt. „Prywatność dla paranoików – granice absolutnej tajemnicy”.
Ludwik Tomal (PAP)
Nauka w Polsce
lt/ pasek/
