Mechanika kwantowa i kinematografia to nieoczywiste połączenie, chyba że mamy na myśli filmy z gatunku sci-fi. Rzeczywistość dogoniła filmy i na tegorocznym Berlinale uczestnicy festiwalu mieli okazję się przekonać, jakie zastosowania ma teoria kwantów w prawdziwym świecie.

Podczas trwającego od 10 do 20 lutego Międzynarodowego Festiwalu Filmowego w Berlinie próbę terenową z wykorzystaniem technologii szyfrowania kwantowego przeprowadziła firma Colt przy wsparciu Instytutu Telekomunikacji im. Fraunhofera, Instytutu Heinricha Hertza (Fraunhofer HHI) i ADVA.

Testowane było połączenie sieci festiwalowej oparte na dystrybucji klucza kwantowego między węzłem sieci Colt a Berlinale Palast, gdzie odbywały się pokazy i premiery filmów. Do tej pory użycie tej technologii było możliwe tylko na krótkich dystansach i w stałych lokalizacjach. Testy odbywały się na działającej sieci, która w czasie trwania festiwalu przesyła do jednego petabajta danych zawierających filmy.

Kryptografia bezpieczna kwantowo

Po raz pierwszy koncepcja kwantowej dystrybucji kluczy została zaproponowana w latach 70. ubiegłego wieku, ale dopiero w 1984 r. ujrzała światło dzienne. Gdy w latach 90. technologię powiązano ze splątaniem kwantowym, pomysłem zaczęli się intensywnie interesować również fizycy. Od tego czasu nastąpił niezwykły postęp i obecnie jest to prawdopodobnie najbardziej dojrzała technologia kwantowa, dostępna na rynku już od ponad 15 lat. Kruchość cząstek kwantowych stanowi wiele nieodłącznych wyzwań dla tej technologii, ale wysiłki na rzecz uczynienia jej komercyjnie opłacalną nabrały ostatnio większego znaczenia. Jako znak tego postępu sieci kwantowe zaczęły już pojawiać się w Europie, Chinach i USA.

Rozwiązanie zabezpieczające jest tak bezpieczne jak jego najsłabsze ogniwo, a w szyfrowaniu sieci najsłabszym ogniwem w obliczu zagrożenia ze strony komputerów kwantowych jest obecnie dystrybucja tajnych kluczy oparta na kryptografii klucza publicznego. Jak sama nazwa wskazuje, QKD służy do dystrybucji kluczy szyfrujących, których bezpieczeństwo opiera się na fizyce kwantowej, a nie na matematyce.

Zasada działania

Kwantowa dystrybucja klucza często nazywana jest błędnie kryptografią kwantową, tymczasem jest tylko jednym z zagadnień z tej dziedziny.

QKD działa poprzez przesyłanie milionów spolaryzowanych cząstek światła (fotonów) przez kabel światłowodowy z jednej jednostki do drugiej. Zazwyczaj informacje są kodowane na pojedynczych fotonach. Każdy z nich ma losowy stan kwantowy, a wszystkie tworzą wspólnie strumień bitów składający się z jedynek i zer. Nadawca może zakodować je, używając jednego z dwóch stanów, np. polaryzacji pionowej (V) lub poziomej (H), może też wybrać kodowanie w dwóch różnych stanach – są to dwie ukośne kombinacje oznaczone jako +45° i -45°. Gdy fotony docierają do punktu końcowego, odbiorca wybiera pomiar za pomocą jednej z baz – albo mierzy H,V, albo +45°, -45°. Następnie wykorzystuje dzielniki wiązki (poziome/pionowe i ukośne), aby „odczytać” polaryzację każdego fotonu. Odbiorca nie zna stanu kwantowego fotonów, dlatego nie wie, którego rozdzielacza wiązki ma użyć dla każdego fotonu, więc robi to w sposób losowy. Pomiar powoduje załamanie stanu kubitów, ale ważna jest wartość, która jest odczytywana podczas procesu pomiaru. Można powiedzieć, że kubit służy tylko do przenoszenia wartości klucza. Po tym jak odbiorca poinformuje nadawcę, którego rozdzielacza użył dla każdego z fotonów w sekwencji, w której zostały wysłane, nadawca porównuje tę informację z sekwencją polaryzatorów użytych do wysłania fotonów. Ten ostatni krok wymaga od nadawcy i odbiorcy przekazania informacji o tym, która baza została użyta, ale nie ujawnia to żadnych informacji o wyniku. Fotony odczytane przy użyciu niewłaściwego rozdzielacza wiązki są odrzucane, a wynikowa sekwencja bitów staje się unikalnym kluczem optycznym, który można wykorzystać do szyfrowania danych.

Jak widać, jest to tylko generowanie tajnego klucza, który następnie należy włączyć do protokołów kryptograficznych, aby zapewnić bezpieczeństwo w różnych zastosowaniach, w których są one wykorzystywane. W efekcie końcowym QKD może wykorzystywać uwierzytelniony kanał komunikacyjny i przekształcać go w bezpieczny kanał komunikacyjny.

Kwantowa dystrybucja klucza ma na celu stworzenie i przekazanie tajnego klucza, a nie transmisję wiadomości i danych. Za pomocą tajnego klucza i wybranego algorytmu szyfrującego można zaszyfrować i odszyfrować wiadomość przekazywaną standardowym kanałem informacyjnym. Teoretycznie QKD powinno być połączone z szyfrowaniem OTP (ang. One-Time Pad), aby uzyskać możliwe do udowodnienia bezpieczeństwo. Szyfrowanie OTP wymaga jednak kluczy, które są tak długie jak szyfrowane dane i mogą być użyte tylko raz. Nakłada to silne ograniczenia na dostępną szerokość pasma, ponieważ szybkość dystrybucji kluczy w przypadku QKD jest zwykle od 1000 do 10 000 razy mniejsza niż w przypadku konwencjonalnej komunikacji optycznej. Dlatego w praktyce QKD jest często łączone z konwencjonalnym szyfrowaniem symetrycznym i wykorzystywane do częstego odświeżania krótkich kluczy szyfrujących. Podobne rozwiązanie zostało zastosowane na Berlinale, gdzie wykorzystano systemy transmisji optycznej z szyfrowaniem AES (ang. Advanced Encryption Standard). W procesie szyfrowania system QKD generował przez oddzielny światłowód klucz, który był przekazywany do systemu DWDM (ang. Dense Wavelength Division Multiplexing) za pomocą znormalizowanego interfejsu.

[...]