Kryptografia kwantowa to technologia, która stosuje zasady mechaniki kwantowej do szyfrowania danych i zabezpieczania ich transmisji tak, by uniemożliwić osobom postronnym dostęp do danych – nawet jeśli posiadałby własne zasoby o podobnych możliwościach. Szersze zastosowanie kryptografii kwantowej obejmuje również tworzenie i wykonywanie różnych zadań kryptograficznych z wykorzystaniem unikalnych możliwości i mocy komputerów kwantowych. Teoretycznie tego typu komputer może pomóc w opracowaniu nowych, silniejszych i wydajniejszych systemów szyfrowania, które przy użyciu istniejących, tradycyjnych architektur obliczeniowych i komunikacyjnych są niemożliwe do stworzenia.
Chociaż wiele elementów tej technologii jest dziś bardziej koncepcją niż rzeczywistością, kilka ważnych zastosowań, w których systemy szyfrowania przecinają się z obliczeniami kwantowymi, ma kluczowe znaczenie dla najbliższej przyszłości cyberbezpieczeństwa. Dwie popularne, ale wyraźnie różne aplikacje kryptograficzne, które są opracowywane z wykorzystaniem właściwości kwantowych, obejmują:
- Kryptografia kwantowa: rozwój algorytmów kryptograficznych, znanych również jako kryptografia post-kwantowa, które są zabezpieczone przed atakiem komputera kwantowego i wykorzystywane do generowania certyfikatów bezpiecznych kwantowo.
- Dystrybucja klucza kwantowego (QKD) to proces korzystania z komunikacji kwantowej w celu ustanowienia wspólnego klucza między dwiema zaufanymi stronami, tak aby niezaufany podsłuchujący nie mógł przechwycić treści transmisji.
QKD polega na wysyłaniu fotonów, które są „cząstkami kwantowymi” światła, przez łącze optyczne. Zasady fizyki kwantowej stanowią, że obserwacja stanu kwantowego powoduje jego zaburzenia. Protokoły QKDsą zaprojektowane tak, aby zapewnić, że każda próba obserwowania przesyłanych fotonów przez podsłuchującego rzeczywiście zakłóci transmisję. Takie zakłócenie doprowadzi do błędów w transmisji, które mogą zostać wykryte przez uprawnionych użytkowników.
Bezpieczeństwo QKD osiąga się poprzez kodowanie informacji w kwantowych stanach światła. Wykorzystanie stanów kwantowych umożliwia oparcie bezpieczeństwa transmisji na fundamentalnych prawach fizyki kwantowej i kwantowej teorii informacji, a dwa z nich mają fundamentalne znaczenie dla zastosowania i poprawnego działania QKD:
- Twierdzenie o braku możliwości kopiowania stanu kwantowego mówi, że wykonanie idealnej kopii nieznanego stanu kwantowego jest fizycznie niemożliwe. Oznacza to, że „podsłuchujący” nie jest w stanie wykonać choćby kopii bitu ze strumienia danych, mając na celu przechwycenie danych i pozostanie niewykrytym.
- Zasada nieoznaczoności Heisenberga – mierząc nieznany stan kwantowo-mechaniczny, jest on fizycznie zmieniony. W kontekście QKD oznacza to, że podsłuchujący obserwujący strumień danych fizycznie zmieni wartości niektórych bitów w wykrywalny sposób.
Co ważne, nie są to ograniczenia technologiczne, które można przezwyciężyć dzięki sprytnym postępom w inżynierii, ale raczej fundamentalne i niepodważalne prawa fizyki kwantowej.
W przeciwieństwie do QKD, szyfrowanie kwantowe to proces wykorzystujący mechanikę kwantową do szyfrowania samych danych, a nie tylko klucza użytego do ich odczytania. To zadanie jest o wiele trudniejsze niż QKD, niemniej jednak jest ciekawą opcją do wykorzystania w praktyce. Obecnie najpopularniejszym podejściem do szyfrowania kwantowego jest protokół Kak: kwantowa wersja zwykłego algorytmu podwójnej blokady, który jest procesem umożliwiającym użytkownikom przekazywanie danych bez udostępniania kluczy.
W praktyce, kryptografia kwantowa ma zastosowanie np. w przypadku transmisji danych rządowych czy wojskowych, ponieważ udowodniono, że transmisja danych z użyciem klucza kwantowego może odbywać się na duże odległości i nadal być bezpieczna. Co więcej, niektóre obliczenia sugerują nawet, że fotony mogą być wykrywane przez satelitę, co umożliwiłoby komunikację między kontynentami! Poza sektorem rządowym jedynie kilka banków na świecie wykorzystuje tę metodę zabezpieczenia, ponieważ obecnie komputery zdolne do przesyłania informacji za pomocą kryptografii kwantowej są duże, potrzebują dużej ilości mocy, wykonywane są na zamówienie, co powoduje, że są przez to bardzo drogie.
Podsumowując – kryptografia kwantowa nie jest jeszcze zbytnio potrzebna. Gdy technologia zrobi kolejny krok naprzód, wtedy techniki kwantowe staną się niezbędne do ochrony naszych informacji. Kiedy powszechne stanie się korzystanie z komputerów kwantowych, szybkości obliczeniowe zdecydowanie wzrosną, więc czas potrzeby na złamanie zwykłych, nie-kwantowych algorytmów kryptograficznych będzie o wiele krótszy.
Autor: Tomasz Cieślik