Появились первые квантовые хакеры: обнаружены критические уязвимости в распределении квантовых ключей
Квантовое распределение ключей (КРК) - это метод создания секретных ключей между пользователями с помощью квантовых состояний и измерений. Теоретически, КРК обеспечивает абсолютную безопасность от перехвата ключей, так как любое вмешательство в квантовую систему приводит к нарушению ее свойств и обнаружению злоумышленника. Однако на практике реализация КРК может быть подвержена различным атакам, эксплуатирующим недостатки реальных устройств в тех моментах, где их реализация отклоняется от теоретических моделей.
Недавно были обнаружены и продемонстрированы несколько потенциальных уязвимостей в протоколах КРК, которые позволяют злоумышленнику получить доступ к информации о ключах или даже полностью их скомпрометировать.
Одна из таких уязвимостей связана с модулятором квантовых состояний на передатчике КРК. Исследователи из Китая обнаружили, что коммерческие модуляторы на основе ниобата лития (LN) подвержены эффекту фоторефракции, который изменяет оптические свойства материала под действием света. Это может быть использовано для манипулирования рабочим состоянием модулятора путем внешнего введения фотонов.
Специалисты разработали и провели экспериментальные атаки на системы КРК, основанные на протоколе Беннетта-Брассара 1984 года (BB84) и на протоколе с независимым от измерений распределением ключей (MDI-QKD).

В первом случае атакующий может измерять все квантовые состояния, передаваемые отправителем, и изменять состояние модулятора таким образом, чтобы получать одинаковые результаты измерений с получателем. При втором типе атаки хакер одновременно измеряет все квантовые состояния, передаваемые двумя отправителями, и вызывает фоторефракцию в модуляторе LN с помощью введенного луча излучения, тем самым эффективно скрывая изменения, вызванные его действиями. Эксперимент на функциональной системе MDI-QKD также показал, что атакующий может тайно получить почти все криптографические ключи.
Другая обнаруженная в ходе исследования уязвимость связана с использованием теоремы Белла для сертификации безопасности КРК. Теорема Белла устанавливает границы для корреляций между двумя квантовыми системами, если они описываются классической теорией. Если эти границы нарушаются, то системы обладают квантовой запутанностью, которая может служить основой для создания секретных ключей.

Ранее большая часть специалистов рекомендовала использовать запутанность и теорему Белла для обеспечения безопасности КРК. Однако, как показали в своем эксперименте исследователи из Швейцарии и Великобритании, реализация такого протокола требует выполнения ряда условий, которые могут быть нарушены на практике.
Исследователи провели экспериментальную реализацию полного протокола КРК с сертификацией безопасности по теореме Белла, используя запутанные пары фотонов, созданные между двумя ионами, ловушками в оптическом волокне. Они получили 95 628 бит ключа с независимой от устройств безопасностью, то есть безопасностью, которая не зависит от деталей реализации квантовых устройств. Однако для этого им пришлось предпринять ряд шагов, чтобы убедиться, что информация о результатах измерений недоступна для атакующего.
Предпринятые шаги по реализации полностью теоретически безопасного протокола включали в себя: использование случайных классических входов для квантовых устройств; изоляцию квантовых систем от внешних воздействий; обработку классической информации на доверенных компьютерах; и выполнение измерений без пространственного разделения. Если говорить проще: такая система безопасности действительно способна обеспечить почти стопроцентную сохранность данных, но в связи со сложностью организации на данный момент может существовать только в теории.
Несмотря на громкие заявления, которые сопровождают каждый новый протокол систем безопасности, уязвимости в протоколах КРК представляют серьезную угрозу для практического применения квантовой криптографии.
Конечно, на бумаге протокол выглядит полностью защищенным, но в действительности ему предстоит пройти испытание на прочность. Для разработки более надежных и защищенных систем КРК специалистам, как и раньше, придется регулярно проводить всеобъемлющий и глубокий анализ практической безопасности и разрабатывать новые методы защиты от атак.
Недавно были обнаружены и продемонстрированы несколько потенциальных уязвимостей в протоколах КРК, которые позволяют злоумышленнику получить доступ к информации о ключах или даже полностью их скомпрометировать.
Одна из таких уязвимостей связана с модулятором квантовых состояний на передатчике КРК. Исследователи из Китая обнаружили, что коммерческие модуляторы на основе ниобата лития (LN) подвержены эффекту фоторефракции, который изменяет оптические свойства материала под действием света. Это может быть использовано для манипулирования рабочим состоянием модулятора путем внешнего введения фотонов.
Первые успешные квантовые атаки
Специалисты разработали и провели экспериментальные атаки на системы КРК, основанные на протоколе Беннетта-Брассара 1984 года (BB84) и на протоколе с независимым от измерений распределением ключей (MDI-QKD).

В первом случае атакующий может измерять все квантовые состояния, передаваемые отправителем, и изменять состояние модулятора таким образом, чтобы получать одинаковые результаты измерений с получателем. При втором типе атаки хакер одновременно измеряет все квантовые состояния, передаваемые двумя отправителями, и вызывает фоторефракцию в модуляторе LN с помощью введенного луча излучения, тем самым эффективно скрывая изменения, вызванные его действиями. Эксперимент на функциональной системе MDI-QKD также показал, что атакующий может тайно получить почти все криптографические ключи.
Обход системы сертификации КРК
Другая обнаруженная в ходе исследования уязвимость связана с использованием теоремы Белла для сертификации безопасности КРК. Теорема Белла устанавливает границы для корреляций между двумя квантовыми системами, если они описываются классической теорией. Если эти границы нарушаются, то системы обладают квантовой запутанностью, которая может служить основой для создания секретных ключей.

Ранее большая часть специалистов рекомендовала использовать запутанность и теорему Белла для обеспечения безопасности КРК. Однако, как показали в своем эксперименте исследователи из Швейцарии и Великобритании, реализация такого протокола требует выполнения ряда условий, которые могут быть нарушены на практике.
Исследователи провели экспериментальную реализацию полного протокола КРК с сертификацией безопасности по теореме Белла, используя запутанные пары фотонов, созданные между двумя ионами, ловушками в оптическом волокне. Они получили 95 628 бит ключа с независимой от устройств безопасностью, то есть безопасностью, которая не зависит от деталей реализации квантовых устройств. Однако для этого им пришлось предпринять ряд шагов, чтобы убедиться, что информация о результатах измерений недоступна для атакующего.
Предпринятые шаги по реализации полностью теоретически безопасного протокола включали в себя: использование случайных классических входов для квантовых устройств; изоляцию квантовых систем от внешних воздействий; обработку классической информации на доверенных компьютерах; и выполнение измерений без пространственного разделения. Если говорить проще: такая система безопасности действительно способна обеспечить почти стопроцентную сохранность данных, но в связи со сложностью организации на данный момент может существовать только в теории.
К сожалению, взломы будут
Несмотря на громкие заявления, которые сопровождают каждый новый протокол систем безопасности, уязвимости в протоколах КРК представляют серьезную угрозу для практического применения квантовой криптографии.
Конечно, на бумаге протокол выглядит полностью защищенным, но в действительности ему предстоит пройти испытание на прочность. Для разработки более надежных и защищенных систем КРК специалистам, как и раньше, придется регулярно проводить всеобъемлющий и глубокий анализ практической безопасности и разрабатывать новые методы защиты от атак.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Контрабандисты оккупировали Восточную Африку: зачем черных муравьев тайно вывозят в Китай и Европу?
Эксперты предупреждают: такой вывоз в итоге закончится непоправимой экологической катастрофой...
В мире заканчивается речной песок: чем это грозит человечеству?
Ученые говорят, что это самая не замечаемая, а оттого опасная проблема, которая уже касается миллионов людей...
К 2060 году половина плотин в мире выйдет из строя: США — главные в черном списке
Эксперты говорят: если не принять меры, часть Соединенных Штатов может полностью опустеть...
В России снова захотели строить железную дорогу в Индию: почему не удались прошлые попытки?
Эксперты говорят: дерзкий проект мог бы принести российской казне миллиардные прибыли...
За рамками науки: дети, которые помнят свои прошлые жизни
Ученые говорят, что феномена реинкарнации нет, но факты утверждают обратное...
Кольца на деревьях раскрыли тайну гибели последней империи кочевников в Евразии
Поразительно, но падение Джунгарского ханства началось за тысячи километров от Азии, в Северной Атлантике...
Немецкий ученый был главным в секретной ракетной программе: однажды он вышел из кабинета и исчез навсегда
Как операция «Дамоклов меч» пресекла главную военную операцию целого государства...
Самый наглый археологический фейк в истории: итальянец 20 лет показывал туристам фальшивый амфитеатр Цезаря
Судебный процесс длилось почти десятилетие, но даже сейчас эта история очень далека от завершения...
Тайна огней Марфы, 150 лет не дававшая покоя ученым, похоже, разгадана
Болотный газ? Огни святого Эльма? НЛО? Ответ оказался намного проще и сложнее одновременно...
«Сувенир» от неандертальцев: секреты этих мутаций не разгаданы до конца
Они живут в ДНК 47 000 лет, но почему их совсем нет у африканцев, зато много у жителей Южной Азии...
Этим книгам осталось жить считаные дни: кто охотится на очень редкие экземпляры, а затем уничтожает их?
Эксперты бьют тревогу: это, пожалуй, самый циничный поворот в истории книгопечатания...
Авокадо ежедневно меняет пол, и исследователи, наконец, выяснили, как именно
Почему селекционеры и ботаники ждали этого открытия более 100 лет?...