Ученые консорциума Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» разработали способ повысить уровень защищенности квантовой криптографии. Благодаря особому алгоритму проверки выделяются и удаляются посторонние «шумы», которые могут повлиять на процесс работы генератора случайных чисел. Это на 100% исключает возможность внешнего воздействия на процесс шифрования. Статья о разработке опубликована в журнале Optics Express.

За каждым процессом отправки и получения информации в современном мире стоит криптография – система шифрования данных, обеспечивающая их безопасность. Наиболее часто встречается так называемое асимметричное шифрование, в котором используются не один секретный ключ, а два: открытый и закрытый. Закрытый (секретный) ключ хранится только у одного из участников криптографической системы, который хочет получить зашифрованное сообщение. Для этого он отправляет по обычному (незасекреченному) информационному каналу открытый ключ, который используется для того, чтобы зашифровать сообщение. Чтобы расшифровать сообщение недостаточно иметь только открытый ключ – нужно знать еще и закрытый ключ.

Эта ситуация аналогична тому, как если бы человек, желая получить секретное послание, раздавал всем желающим небольшие замки, но не давал бы никому ключи к этим замкам. Каждый, кто захотел бы поделиться с ним своим секретом, мог бы положить секретное послание в шкатулку и запереть ее этим замком. Очевидно, что теперь никто, кроме него, не сможет открыть шкатулку и прочитать секретное сообщение, даже если шкатулка попадет в руки злоумышленника.

Система асимметричного шифрования, опирается на недоказанное математическое утверждение о невозможности за полиномиальное время разложить целое число на простые сомножители. Поэтому считается, что мощности современного компьютера не хватит для взлома такой системы, однако такие возможности могут в ближайшем будущем появиться у квантового компьютера. Это ставит под сомнение безопасность классических методов криптографии в приближающуюся эпоху квантового превосходства.

В противовес возможным технологиям квантового взлома учеными активно разрабатываются и внедряются методы квантовой криптографии – шифрования, основанного не на компьютерных алгоритмах, а на законах квантовой механики. Системы квантовой криптографии решают задачу безопасного распределения секретного ключа между участниками криптографической системы. Секретный ключ передается по оптическому каналу с помощью одиночных фотонов. Согласно законам квантовой механики, злоумышленник не сможет незаметно перехватить отдельные фотоны, так что при любой его попытке узнать секретный ключ, система будет сигнализировать об опасности. Помимо источника и детектора одиночных фотонов, важным элементом системы квантовой криптографии является так называемый квантовый генератор случайных чисел. Поскольку, перехватить одиночные фотоны злоумышленник не может, то он может попытаться провести атаку именно на этот элемент системы. Ученые консорциума Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» (НИТУ «МИСиС», компания QRate и Российский квантовый центр) разработали способ повысить уровень защищенности систем квантовой криптографии при помощи особого алгоритма, позволяющего обнаруживать атаки именно на квантовый генератор случайных чисел.

Для генерации случайных битовых последовательностей ученые предложили использовать шумы, возникающие в полупроводниковом лазере и связанные со спонтанным излучением. Поскольку спонтанное излучение обусловлено так называемыми нулевыми колебаниями электромагнитного поля, то можно утверждать, что такие шумы в лазере имеют чисто квантовую природу, а поэтому их принципиально невозможно научиться предсказывать и, что самое главное, они оказываются невосприимчивы к любым попыткам «подчинить» их внешнему контролю. Однако, поскольку непосредственно использовать эти шумы без обычных (классических) измерительных приборов нельзя, то квантовые шумы оказываются «загрязнены» классическими шумами, которые злоумышленник потенциально может использовать для того, чтобы скомпрометировать случайные биты, получаемые с помощью этих шумов.

Ученые из компании QRate и НИТУ «МИСиС» разработали протокол, который позволяет «на лету» оценивать вклад классических шумов и определять таким образом уровень потенциальной угрозы. Более того, предложенный ими протокол позволяет преобразовывать выходную случайную битовую последовательность в «истинно квантовую» без использования сложных алгоритмов постобработки, таких как хэширование, которые обычно применяются для этих целей.

По словам разработчиков, их алгоритм уже сейчас можно применять в существующих и проектируемых квантовых генераторах случайных чисел для установок квантовой криптографии.

Центр компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» был создан в 2018 году НИТУ «МИСиС» и Российским квантовым центром. В состав консорциума также вошли Математический институт имени Стеклова, РАНХиГС, ТГУ, а также малые инновационные предприятия, специализирующиеся на квантовых коммуникациях, в том числе компания QRate.