20.12.2023. Profesor Artur Ekert, ekspert w dziedzinie fizyki kwantowej. PAP/Leszek Szymański
Kryptografia kwantowa przenosi punkt ciężkości bezpieczeństwa danych z wyzwań matematycznych na zasady fizyki, których nie można naruszyć, jak 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. Inicjatywa ta 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 określona osoba posiada klucz potrzebny do odkodowania wiadomości. Zapewnia to, że nawet jeśli komunikacja zostanie przechwycona, pozostanie ona bezsensowna dla podsłuchujących.
„Historycznie kryptografia w dużej mierze opierała się na matematyce, statystyce i obliczeniach prawdopodobieństwa. Można by twierdzić, że tradycyjne metody szyfrowania przypominały łamigłówki” – wyjaśnił prof. Ekert w swojej dyskusji z PAP. Tak więc, jeśli szczególnie sprytna osoba wymyśliła skomplikowaną łamigłówkę, to była tylko kwestia czasu, zanim inna, równie inteligentna osoba ją rozszyfruje. W związku z tym dalsze używanie tej łamigłówki do szyfrowania nie byłoby już bezpieczne.
Na przykład we wcześniejszych technikach kryptograficznych tekst był zaciemniany przez zastępowanie liter alfabetu innymi symbolami. Aby złamać kod, można było zidentyfikować najczęściej występujące symbole w kryptogramie i porównać je ze statystyczną częstością liter w danym języku. Następnie, podobnie jak w teleturnieju, można było wywnioskować hasło.
Ostatecznie stało się jasne, że aby uzyskać bezbłędny szyfr, należy zastosować tajny losowy klucz jednorazowy. Każda litera (lub symbol w wiadomości) jest szyfrowana indywidualnie w sposób losowy. Sekwencja tych losowych zmian stanowi klucz do rozszyfrowania wiadomości. Klucz może być użyty tylko raz i musi być co najmniej tak długi, jak sama wiadomość. „Losowość klucza odzwierciedla się w losowości szyfrogramu” – wyjaśnił prof. Ekert podczas wykładu w Centrum Nauki Kopernik.
Tak więc, podczas gdy istnieje doskonały szyfr, głównym wyzwaniem jest dystrybucja, a konkretnie bezpieczna wymiana klucza między komunikującymi się stronami. Każda wiadomość powinna być szyfrowana nowym losowym kluczem.
Wymagało to od nadawców i odbiorców wygenerowania losowych kluczy i zachowania tajemnicy przy ich udostępnianiu.
To wyzwanie można złagodzić poprzez zastosowanie tak zwanych algorytmów asymetrycznych. Prof. Ekert wyjaśnił podczas swojej prezentacji, że jest to podobne do posiadania dwóch zestawów kluczy – jednego do zabezpieczenia sejfu i drugiego do jego otwarcia. Stąd każdy może zaszyfrować wiadomość, ale tylko odbiorca wie, jak ją później odszyfrować. W tych algorytmach asymetrycznych wykorzystywane są problemy matematyczne, w których obliczenia są proste w jednym kierunku, ale trudne do odwrócenia, biorąc pod uwagę tylko wynik.
„Kryptografia kwantowa przeniosła nacisk na bezpieczeństwo danych z matematyki na fizykę” – zauważył prof. Ekert dla PAP. Dlatego bezpieczeństwo danych opiera się na prawach fizyki, a nie na konstrukcjach matematycznych, a te prawa fizyczne są niezniszczalne.
Istnieją dwa główne podejścia do opracowywania szyfrów dla kryptografii kwantowej. W połowie lat 80. Charles Bennett i Gilles Brassard zasugerowali zastosowanie zasady nieoznaczoności Heisenberga w szyfrowaniu. Jednocześnie prof. Artur Ekert niezależnie opracował metodę wykorzystującą zjawisko splątania kwantowego.
Profesor Ekert opracował strategię wykorzystania mechaniki kwantowej, która miała zapewnić, że nikt nie będzie mógł podsłuchiwać wymiany tajnych kluczy.
Podczas dystrybucji klucza kwantowego generowane są pary splątanych fotonów – jeden foton z każdej pary jest wysyłany do jednej osoby, a drugi do drugiej. Obie osoby muszą wykryć swoje fotony jednocześnie. Ze względu na splątanie fotonów, zmierzenie cech jednego fotonu zmienia drugi foton (co Einstein określił jako „upiorne działanie na odległość”) – w ten sposób możemy ustalić właściwości drugiego fotonu. Mierząc te atrybuty, określamy kolejne cyfry jednorazowego klucza.
Podsłuchujący próbujący przechwycić klucz musiałby zmierzyć jeden ze splątanych fotonów, który niezmiennie pozostawiłby ślad, który zostałby zarejestrowany przez inny foton z nim powiązany. Fizyka kwantowa nie pozwala na „czysty” nadzór nad takimi transmisjami w oparciu o zjawisko splątania. Przed zastosowaniem klucza przesłanego za pomocą środków kwantowych należy zweryfikować jego „integralność”. Wyniki uzyskane z pomiarów przechodzą testy — są oceniane przy użyciu tzw. równań Bella. Jeśli okaże się, że przed pomiarem w urządzeniu odbiorcy znana była nadmierna liczba cyfr klucza, oznacza to, że klucz jest naruszony, co wymaga wygenerowania nowego.
Co ciekawe, podejście prof. Ekerta ułatwia kryptografię niezależną od urządzenia. Oznacza to, że nawet urządzenie kryptografii kwantowej pozyskane od przeciwnika może być nadal bezpiecznie wykorzystane do transmisji klucza. Test Bella ujawniłby również każdą próbę podsłuchu w tym przypadku.
Prof. Ekert zauważył, że nie wszystkie informacje w życiu codziennym wymagają absolutnej ochrony. Zilustrował to przykładem, że na giełdzie tajemnice są zazwyczaj chronione tylko przez jeden dzień; w medycynie dotyczy to skali życia jednostki, a nawet dłużej w przypadku tajemnic wojskowych lub państwowych. Niemniej 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 profesorem na Narodowym Uniwersytecie Singapuru. Urodził się w Polsce i ukończył studia na Uniwersytecie Jagiellońskim. Jego rewolucyjna koncepcja wykorzystania splątania kwantowego do bezpiecznej komunikacji powstała, gdy odbywał doktorat 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/
