Российские исследователи придумали, как повысить защищенность квантовой криптографии. Они создали алгоритм проверки, способный выделять и удалять посторонние «шумы», которые могут повлиять на процесс работы генератора случайных чисел. Это исключает возможность внешнего воздействия на процесс шифрования. Статья о работе исследователей опубликована в журнале Optics Express.

Для обеспечения безопасности данных при отправке и получении информации в современном мире используется криптография, цель которой состоит в надежной зашифровке сигналов. Чаще всего встречается так называемое асимметричное шифрование, в котором используются не один секретный ключ, а два: открытый и закрытый. Закрытый (секретный) ключ может находиться только у одного из участников криптографической системы, который хочет получить зашифрованное сообщение. Для этого он отправляет по обычному (незасекреченному) информационному каналу открытый ключ, который непосредственно зашифровывает сообщение. Но чтобы расшифровать сообщение, нужно кроме открытого знать еще и закрытый ключ.

Система асимметричного шифрования опирается на недоказанное математическое утверждение о невозможности за полиномиальное время разложить целое число на простые сомножители. Согласно проведенным специалистами расчетам, современные компьютеры не могут справиться с такой вычислительной задачей. Но она может быть по силе их квантовым аналогам, которые в скором времени могут войти в наш обиход, учитывая темпы развития этой отрасли.

Это ставит под угрозу безопасность существующих систем передачи информации, основанных на классических криптографических схемах. Чтобы перейти на новый, недоступный для квантовых компьютеров, уровень, ученым приходится уже сегодня разрабатывать алгоритмы 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 фотонов.

Перехватить эти фотоны незаметно невозможно, так что при любой попытке узнать секретный ключ система будет сигнализировать об этом. Кроме источника и детектора одиночных фотонов в системах квантовой криптографии используется также квантовый генератор случайных чисел. Поскольку перехватить одиночные фотоны злоумышленник не может, теоретически под угрозой взлома может оказаться именно этот элемент. Теперь исследователи консорциума Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации», в который входит НИТУ «МИСиС», компания QRate и Российский квантовый центр, придумали метод повышения уровня защищенности систем квантовой криптографии с помощью использования особого алгоритма, который позволяет обнаруживать атаки именно на квантовый генератор случайных чисел.

Российские специалисты предложили использовать шумы, возникающие в полупроводниковом лазере, чтобы создавать случайные последовательности битов. Такое спонтанное излучение обусловлено нулевыми колебаниями электромагнитного поля, а значит, можно утверждать, что такие шумы имеют чисто квантовую природу и научиться предсказывать их принципиально невозможно. Также невозможным оказывается и воздействовать на эти явления для контролирования сигналов, которые они создают в вычислительной системе. Но при измерении таких квантовых шумов неизбежно возникают и классические шумы измерительных приборов, которые злоумышленник потенциально может использовать для перехвата битов передаваемой информации.

Авторы новой работы создали протокол, который позволяет «на лету» оценивать вклад классических шумов и определять таким образом уровень потенциальной угрозы. Более того, такой алгоритм позволяет преобразовывать выходную случайную последовательность битов в «истинно квантовую» без использования сложных алгоритмов постобработки, которые обычно применяются для этих целей.