Kvantna kriptografija

Izvor: Wikipedija
Skoči na: orijentacija, traži

Kvantna kriptografija je izazov moderne kriptografije za pošiljatelja i primatelja je da dijele ključ a da pritom osiguravaju da nitko drugi ne zna za njega. Metoda zvana „javni ključ“ (public key cryptography) u kriptografiji se često korisiti da raspodijeli tajne ključeve za kodiranje i dekodiranje cijele poruke. Sigurnost takve kriptografije ovisi o faktorizaciji ili o drugim teškim matematičkim problemima. Lako je izračunati produkt dvaju velikih brojeva ali je iznimno teško faktorizirati ih u primarne. Popularni RSA algoritam šifriranja široko je razvijen u „javni ključ“ kriptgrafiji a zasniva se na faktorizaciji. Tajni ključ poslan između pošiljatelja i primatelja je kodiran s javnim dostupnim ključem. Uzmemo li neki jako veliki broj npr. 408 508 091, onda taj broj može biti dešifriran samo s privatnim ključem koji se nalazi u primatelja i sastoji od dva faktora, u ovom slučaju 18 313 i 22 307.

Vrlo je teško dešifrirati poruke u kojima se koristi metoda „javni ključ“ što omogućava da taj ključ bude siguran kroz desetljeće pa čak i više. No pojavom kvantnih računala, koja bi problem faktorizacije velikih brojeva trebala rješavati vrlo brzo tj. linearnom složenoću, RSA algoritam šifriranja je osuđen na propast.

Za razliku od „javnog ključa“, kvantna kriptografija treba ostati sigurna kada kvantna računala dođu na scenu. Jedan od načina slanja kvantno-kriptografskog ključa između pošiljatelja i primatelja zahtijeva da laser odašilje pojedinačne fotone koji su polarizirani u jedan od dva stanja. U prvom, fotoni su postavljeni vertikalno ili horizontalno (Pravocrtni način), u drugom su usmjereni na 45 stupnjeva lijevo ili desno od vertikalne (dijagonalni način). U oba načina suprostavljene pozicije fotona predstavalja digitalno 0 ili 1. Ako pošiljatelj (u ovom slučaju) Alice pošalje niz bitova i pritom nasumice odabire bazu polarizacije pravocrtnu ili dijagonalnu, primatelj poznat kao Bob u kriptogovoru također slučajno odabire bazu polarizacije kojom će mjeriti dolazeće bitove. Heisenbergovo načelo neodređenosti kaže da on može mjeriti bitove samo na jedan način, ne na oba. Samo oni bitovi koje je Bob mjerio na isti način na koji je Alice poslala imaju ispravnu orjentaciju.

Nakon prijenosa Bob komunicira s Alice da joj kaže koji od dva modela je uzeo za dolazeće fotone, pritom ne otkiriva 0 ili 1 bitnu vrijednost koju predstavlja svaki foton. Alice onda kaže koji su fotoni mjereni ispravno dok one fotone koji nisu mjereni ispravno oboje ignoriraju. Način koji je mjeren točno predstavlja ključ koji služi kao ulaz za algoritam korišten za šifriranje ili dešifriranje poruke. Ako netko pokuša presresti tok fotona u ovom slučaju Eva onda ona ne može mjeriti na oba načina zahvaljujući Heisenbergu. Ako ih Eva izmjeri u pogrešnom stanju, čak i ako ih proslijedi na isti način na koji je ona mjerila ona će neminovno proizvesti pogreške. Alice i Bob mogu otkriti prisutnos prisluškivača uspoređujući odabrane bitove i tražeći pogreške.


Stadij razvoja kvantne kriptografije[uredi VE | uredi]

Početkom 2003, dvije kompanije id Quantique u Ženevi i MagiQ Technologies u New Yorku predstavile su komercijalne proizvode koji šalju kvantno kriptografske ključeve 30 cm koristeći Bennettov eksperiment. I nakon što su pokazali rekordnu udaljenost prijenosa od 150 km NEC je došao na tržište sljedeće godine. Drugi, kao što su IBM, Fujitsu i Toshiba, također ulažu u razvoj kvantne kriptografije. Proizvodi na tržištu mogu slati individualne ključeve optičkim vlaknima dugim nekoliko destaka kilometara. Sustav firme MagiQ košta od 70 000 $ do 100 000 $. Mali broj korisnika koristi i testira te sisteme koji nisu široko razmještene ni u jednoj mreži.

Neke vladine agencije i financijske institucije se boje da bi šifrirane poruke mogle biti „uhvaćene“ danas i pohranjene, a nakon nekoliko desetaka godina kvnatna računala bi ih mogla dešifrirati. Richard J. Hughes, istraživač u kvantnoj kriptografiji na Los Alamos nacionalnom laboratoriju navodi druge primjere informacija koje moraju ostati u tajnosti duže vrijeme: formula za Coca-Colu ili naredbe za komercijalne satelite. Prvi pokušaji da se uključi kvantna kriptografija u stvarne mreže, su započeli. Obrambeno razvojno-istraživačka agencija financira projekt povezivanja šest mrežnih čvorova koji se protežu preko Sveučilištu Harvard, Boston University i BBN tehnologije u Cambridgeu. Ovo je prva kontinuirana, operativna kvantno kriptografska mreža izvan laboratorija. U jesen 2004, id Quantique i partner u Genevi pokazali su mrežu koja povezuje skupinu servera i omogućuje im sigurnosnu izmjenu podataka na udaljenosti od 10 km s novim ključevima koji se često distribuiraju kroz kvantno kodiran link. Sadašnja uporaba kvantne kriptografije je u mrežama ograničenih geografskih dosega. Za produženje udaljenosti tih veza istraživači traže druge medije za distribuciju kvantnih ključeva. Da bi dokazali izvedivost slanja kvantnih ključeva znanstvenici su pokušali poslati poruku između dva planinska vrha u južnim Alpama na udaljenosti 23 km. Da bi optimizirali ovu tehnologiju koriste se veći teleskopi za detekciju, bolji filteri, antireflektivni premazi. Možda bi bilo moguće napraviti takav sistem koji će moći poslati i primiti signal na udaljenosi većoj od 1000 km, što je dovoljno za poslati signal satelitima koji kruže oko zemlje. Mreža satelita bi tada omogućila pokrivenost širom svijeta. Europska svemirska agencija je u ranim fazama stavljanja u plan zemlja-satelit eksperimenta. Kvantna memorija bi mogla biti najbolje implementirana atomima a ne fotonima. Eksperiment objavljen 22. listopada 2004 u časopisu Science pokazuje kako bi to moglo raditi. Na temelju ideja znanstvenika sa Sveučilišta u Innsbrucku u Austriji, skupina u Gruziji na institutu tehnologije detaljno je opisala kako dva oblaka ultrahladnih atoma rubidija mogu biti upletena i zbog kvantne povezanosti mogu biti ispisani sa qubitima. Za razliku od fotona oblaci mogu dosta duže držati qubite. Eksperiment tada prenosi kvantno stanje atoma, njihove qubite na fotone, koje čine prijenos informacija od materije do svjetla. Uplitanjem oblaka Alex Kuzmich i Dzmitry Matsukevich nadaju se da će stvoriti „ponavljala“ (repeaters) koja mogu prenijeti qubite na velike udaljenosti.


Sigurnost i kvantni internet

Privatnost je danas teško postići posebno na internetu gdje svaki put kada nešto guglamo to zapravo ostaje zabilježeno. Kompanije štite privatnost svojih klijenata šifriranjem podataka koristeći brojeve umjesto imena. Zakoni fizike bi mogli „spasiti“ privatnost. Komunikaciju preko specijalnog kvantnog kanala već omogućava da banke i druge institucije pošalju podatke sa gotovo neprobojnim kodiranjem. Tako danas već postoji tehnologija koja će zaštiti vaše podatke od presluškivača. Ali u budućnosti nova verzija kvantnog interneta omogućiti će da pretražujete nešto i da dobijete odgovor sa sigurnošću da nitko pa čak ni Google ne zna što ste tražili. Štoviše, ista tehnologija koja će omogućiti sigurno pretraživanje ujedno će omogućiti privatnost tijekom cijelog „surfanja“ internetom. Naravno tražilice snimaju i analiziraju pretraživanje korisnika kako bi mogli stavljati odgovarajuće oglase. To je način kako oni prekrivaju svoje troškove i stvaraju svoj profit. Ako odluče držati korisničke podatke sigurnim morat će naći druge načine financiranja pa bi se tako samo pretraživanje interneta moralo naplaćivati. Sposobnost kvantne fizike da omogući potpunu privatnosti proizlazi iz jednostavne činjenice: sustavi u kvantnom svijetu (koji uključuju sve od elementarnih čestica do molekula) mogu postojati u više stanja. U bilo koje vrijeme atom može biti u više različitih mjesta; čestice svjetlosti ili fotona mogu biti polarizirani okomito ili vodoravno; elektronski magnetski moment može pokazivati gore ili dolje i tako dalje. Kao poslijedica toga klasični bitovi podataka mogu biti 0 ili 1 dok kvantni bitovi mogu biti i 0 i 1 u isto vrijeme. Također kada kvantni bit poprima vrijednost 0 i 1 nemoguće je kopirati ga a da ne promijenimo njegovo stanje. Ovo pravilo poznato kao „ne klonirajući“ teorem primjenjuje se na niz bitova koji mogu predstavljati riječ ili rečenicu. Kao posljedica toga bit će da prisluškivač neće biti u mogućnosti prisluškivati kanal i tako ga ometati. Nekoliko tehnika kvantnog šifriranja koji će držati podatke u privatnosti već postoji. Prije 2 godine Seth Lloyd profesor kvantne mehanike na MIT-u zajedno sa svojim kolegama Lorenzo Maccone i Vittorio Giovannetti profesorima na sveučilištu u Italiji otkrili su da „ne klonirajući“ teorem također čini privatne upite mogućim. U protokolu su osmislili da korisnik mora biti u mogućnosti poslati „kvantno pitanje“( niz kvantnih bitova koji sadrže istinito pitanje i još neko drugo pitanje) u tražilicu. Pretraživač će tražiti u bazi podataka odgovor na pitanja i kombinaciju odgovora i pitanja šalje korisniku u novom „kvantnom paketu“. Ako pretraživač načini kopiju pitanja korisnik će saznati da je njegova privatnost „povrijeđena“ jer će mu pretraživač promijenti njegovo izvorno pitanje. Pretraživač može dati odgovor na pitanja a da ne promijeni samo pitanje ali tada neće znati koje je izvorno pitanje bilo. Iako je nemoguća takva „magija“ sa sadašnjim računalima, ipak nije izvan tehnoloških dostignuća. Prvi uvjet za privatna kvantna pitanja je kvantni internet. Tehnologija za razmjenu kvantnih poruka već postoji i koristi se za sigurnu komunikaciju. Kvantni internet tako ne bi smio biti samo linija izmeđe dvije točke već dostupan svima. Za takvo što bi trebao postojati tzv. kvantni ruter. Prototip takve mreže mogli bi imati tek za desteka godina. Drugi uvjet za privatno web „surfanje“ je da korisnici imaju kvantna računala odnosno računala koja mogu pohranjivati i držati kvantne bitove. Nažalost kvantni bitovi su promjenjivi i imaju mogućnost da gube svoja kvantna stanja u djeliću sekunde. Kvantna računala će zahtijevati stotine ako ne i tisuće kvantnih bitova i najvjerojatnije ih nećemo imati još desetljećima čak ni u laboratorijskoj upotrebi. Srećom, za svrhu kvantninh pretraživanja bit će dovoljno 30-ak kvantnih bitova. Takvi 30-bitni kvantni mikro procesori mogu biti dostupni za desetak godina.

Kvantna RAM memorija

Za sada sve izgleda uredu: kvantno privatno pretraživanje zahtijeva kvantno računalo i kvantne komunikacijske sustave. Da bi odgovorili na „račvasta“ kvantna pitanja pretreaživačke baze podataka moraju biti u mogućnosti odgovoriti na svako postavljeno pitanje istovremeno. Da bi to uspjelo potrebna je nova vrsta spremišta podataka ili nova tzv. RAM (random access memory ) kvantna memorija. RAM je uređaj za spremanje podataka koji ima oblik razgranatog stabla. Svaki komadić podatka je niz od osam bitova odnosno bajt i ima svoju adresu koja je i sama niz bitova. Bajtovi su poput lišća na stabu, a adresa je put iz debla do posebnog lista. Prvi bit adrese određuje koju od dvije grana na najnižem dijelu stabla odabiremo. Sljedeći bit služi za odabir grane na drugom nivou i tako dalje. Grane se udvostručuju na svakom nivou i tako adresa koja ima 30 bitova vraća podatke preko 230 sklopki. Mogla bi se dizajnirati kvantna verzija tradicionalne RAM memorije. Jedina razlika je da sklopke koje dijele informacijske puteve moraju istovremeno usmjeraviti informacije u dva različita puta jer kvantni bitovi mogu istovremeno imati dva stanja 0 i 1. Takve kvantne sklopke mogu se izgraditi današnjom tehnologijom kao što su poluprozirna zrcala koja dijele fotone u dva dijela tako da slijede u dva različita puta istovremeno. Problem je u tome što su kvantne sklopke jako osjetljive na pogreške. Ako se pogreška dogodila na samo jednoj od sklopki privatnost odgovarajućeg bita je izgubljena. Zbog tipično velikog broja sklopki šanse za gubljenje privatnosti su vrlo velike.

Seth Lloyd, Giovannetti Maccone i Lorenzo Maccone su započeli s drukčijim dizajnom za rješavanje RAM-a, u kojem se mnogo manje sklopki koristi za memoriju. Tajna da se podatci vraćaju istim putem kojim je adresa sa bitovima došla do njih. Budući da je adresa bitova prošla u nizu kroz polje mi to zovemo “bucket brigade” RAM. „Bucket brigade“ arhitektura zahtijeva mijenjanje samo jedne sklopke na svakoj razini, dok konvencionalni RAM mijenja svaku sklopku na svakoj razini. Tako su uštede upečatljive: bucket bridge RAM na mlijardu utora koristi 30 sklopki za svaku memoriju poziva dok konvencionalni RAM koristi milijardu sklopki za svaki poziv. Tako prednosti bucket bridge arhitekture raste eksponencijalno s brojem bitova. Isprva su mislili da će bucket bridge arhitekture uvesti revoluciju u industriji, ali uskoro su saznali da su i drugi razmišljali o sličnom dizajnu prije njih i da je ionako dizajn prespor za klasičnu memoriju. Montaža kvantih sklopki radi sastavljanja kvantne RAM memorije se ubrzo pokazala kao jako težak zadatak, a i da ne spominjemo samo povezivanje kvantnih RAM memorija u komunikacijske kanala za implementiranje kvantnih privatnih upita. Istinski kvantni dio kvantne RAM memorije je logičko polje koje bi se moglo izgraditi od prekidača koji će moći propuštati kvantne bitove u oba dijela istovremeno. Usput su shvatili da se tehnika usmjeravanja potdataka njihove RAM memorije može primjeniti na prebacivanje mreža kvantong interneta u cijelini. Ljudi bi tada mogli surfati u potpunoj anonimnosti ne samo da se ne zna što su pretraživali nego i da se ne zna koje su stranice posjećivali. Nedavno, Francesco De Martini i njegova grupa na Sveučilištu u Rimu "La Sapienza" učinili su upravo to. Koristeći lasere, polarizirane fotone i detektore izgradili su jednostavnu RAM memoriju i pokazali Lloydov pretraživački protokol na maloj bazi podataka.

Vanjske poveznice[uredi VE | uredi]