De fundamentele principes van de kwantumfysica, met name het onzekerheidsprincipe, vormen de basis voor kwantumcryptografie. Aangezien de verwachte mogelijkheden van toekomstige kwantumcomputers veelgebruikte cryptografische methoden zoals AES, RSA en DES omvatten, komt kwantumcryptografie naar voren als een veelbelovende oplossing. In de praktijk wordt het gebruikt om een gedeelde, geheime en willekeurige reeks bits te creëren die de communicatie tussen twee systemen, zoals Alice en Bob, mogelijk maakt. Dit proces, bekend als Quantum Key Distribution, creëert een veilige sleutel tussen Alice en Bob, waardoor informatie-uitwisseling via gevestigde cryptografische methoden mogelijk wordt.
Volgens het onzekerheidsprincipe van Heisenberg
BB84-protocol
Een enkele fotonpuls ondergaat polarisatie wanneer deze door een polarisator gaat. Alice gebruikt een specifieke polarisator om de enkele fotonpuls te polariseren en codeert binaire bits op basis van het polarisatortype van de uitkomst (verticaal, horizontaal, circulair, enz.). Na ontvangst van de fotonenbundel probeert Bob te raden welke polarisator Alice gebruikt en lijnt hij de gevallen uit om de nauwkeurigheid van zijn schattingen te beoordelen. In het geval van Eve's afluisterpogingen zou de interferentie van haar polarisator discrepanties veroorzaken in de overeenkomende gevallen tussen Bob en Alice, wat zou kunnen wijzen op mogelijk afluisteren. Bijgevolg zou elk afluisteren door Eve door Alice en Bob in dit systeem worden gedetecteerd.
- Het B92-protocol maakt gebruik van slechts twee polarisatietoestanden, in tegenstelling tot de originele BB84, die er vier gebruikt.
- BB84 beschikt ook over een soortgelijk protocol, SSP, dat zes toestanden gebruikt voor bitcodering.
- Een ander protocol, SARG04, maakt gebruik van verzwakte lasers en laat betere prestaties zien vergeleken met BB84 in systemen met meer dan één foton.
Door kwantumverstrengeling
E91 Protocol: Een enkele bron zendt een paar verstrengelde fotonen uit, waarbij elk deeltje door Alice en Bob wordt ontvangen. Net als bij het BB84-schema wisselen Alice en Bob gecodeerde bits uit en vergelijken ze de gevallen voor elk overgedragen foton. In dit scenario zullen de uitkomsten van de overeenkomende gevallen tussen Alice en Bob echter tegengesteld zijn vanwege het verstrengelingsprincipe. Daardoor zullen ze complementaire bits in hun geïnterpreteerde bitreeksen hebben. Om een sleutel vast te stellen, kan een van hen de bits omkeren. De afwezigheid van afluisteraars kan worden bevestigd door middel van een test, aangezien de ongelijkheid van Bell niet zou moeten gelden voor verstrengelde deeltjes. Gezien de onpraktischheid van een derde foton in verstrengeling met voldoende energieniveaus voor niet-detectie, wordt dit systeem als volledig veilig beschouwd.
- De modellen van de SARG04- en SSP-protocollen kunnen worden uitgebreid om de theorie van verstrengelde deeltjes te integreren.
Aanvallen die mogelijk invloed kunnen hebben op kwantumcryptografie
-
Foton-aantal-splitsing (PNS)-aanval
Omdat het niet mogelijk is om één foton te versturen, wordt er een puls verzonden. Eve krijgt de kans om een aantal fotonen uit de puls te vangen. Nadat Alice en Bob de bits hebben gematcht, kan Eve dezelfde polarisator als Bob gebruiken om de sleutel onopgemerkt af te leiden.
-
Aanval van een vervalste staat
Eve gebruikt een kopie van Bobs fotonendetector, onderschept de fotonen die voor Bob bestemd zijn en stuurt ze vervolgens naar hem door. Hoewel Eve op de hoogte is van het gecodeerde bit, denkt Bob dat hij het rechtstreeks van Alice heeft ontvangen.
Kwantumcryptografie uitgelegd
Kwantumcryptografie is een uniek vakgebied dat de principes van de kwantummechanica gebruikt om communicatie te beveiligen. In tegenstelling tot klassieke cryptografie, die gebaseerd is op de wiskundige complexiteit van problemen, maakt kwantumcryptografie gebruik van de inherente eigenschappen van de kwantummechanica om een beveiligingsniveau te bereiken dat theoretisch onbreekbaar is door bepaalde aanvallen. Er worden twee belangrijke protocollen gebruikt in de kwantumcryptografie: Kwantumsleuteldistributie (QKD) en Quantum Secure Direct Communication (QSDC).
Hier is een vereenvoudigde uitsplitsing van QKD:
-
Superpositie
QKD maakt gebruik van het concept van superpositie, waarbij een kwantumsysteem tegelijkertijd in meerdere toestanden kan bestaan.
-
Polarisatie van fotonen
Bij QKD wordt informatie vaak gecodeerd over de polarisatiestatus van individuele fotonen (lichtdeeltjes).
-
Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg
Dit principe stelt dat bepaalde eigenschappen, zoals de positie en het momentum van een deeltje, niet gelijktijdig nauwkeurig gemeten kunnen worden.
-
Kwantumverstrengeling
Verstrengeling is een cruciaal element in QKD, waarbij twee deeltjes met elkaar verbonden worden en hetzelfde lot ondergaan, ongeacht de afstand.
QKD-proces
Alice (zender) zendt een stroom verstrengelde fotonen naar Bob (ontvanger). De informatie is gecodeerd in de polarisatietoestanden van deze fotonen.
Bob meet de qubits (kwantumbits) met behulp van willekeurig gekozen bases (bijvoorbeeld verticaal/horizontaal of diagonaal/antidiagonaal).
Alice en Bob communiceren openlijk welke basen voor elke qubit worden gebruikt, zonder de daadwerkelijke meetresultaten te onthullen.
Alleen qubits die in dezelfde basis zijn gemeten, worden gebruikt om een gedeelde geheime sleutel te genereren.
Elke poging van een afluisteraar (Eve) om de qubits te onderscheppen verstoort hun kwantumtoestand en onthult hun aanwezigheid.
QSDC maakt op vergelijkbare wijze gebruik van de principes van verstrengeling en superpositie om veilige communicatie tussen twee partijen tot stand te brengen.
Toepassingen van PQC
Kwantumcryptografie biedt de potentie om communicatiemethoden te transformeren door een veilig kanaal te bieden dat bestand is tegen cyberdreigingen. Verschillende toepassingen van kwantumcryptografie omvatten:
-
Financiële transacties
Quantumcryptografie biedt een veilige communicatiemogelijkheid voor financiële transacties, waardoor het voor cybercriminelen onmogelijk wordt om gevoelige financiële gegevens te onderscheppen en te stelen.
-
Militaire en overheidscommunicatie
Militaire en overheidsinstanties kunnen quantumcryptografie gebruiken om gevoelige informatie uit te wisselen, waardoor zorgen over vertrouwelijke onderschepping worden weggenomen.
-
Gezondheidszorg
Quantumcryptografie vindt toepassing bij het beveiligen van medische gegevens, het beschermen van patiëntendossiers en medisch onderzoek.
-
Internet of Things (IoT)
Quantumcryptografie speelt een cruciale rol bij het beveiligen van communicatiekanalen voor IoT-apparaten, waarbij kwetsbaarheden worden aangepakt die voortvloeien uit hun beperkte rekenkracht en hun vatbaarheid voor cyberdreigingen.
Conclusie
Concluderend Quantumcryptografie staat bekend als een veelbelovende pionier op het gebied van veilige communicatie, waarbij gebruik wordt gemaakt van de fundamentele principes van de kwantumfysica. Met zijn vermogen om potentiële bedreigingen van toekomstige kwantumcomputers aan te pakken, creëert kwantumcryptografie, met name via kwantumsleuteldistributieprotocollen zoals BB84 en E91, veilige communicatiekanalen tussen entiteiten zoals Alice en Bob. De praktische toepassingen van kwantumcryptografie strekken zich uit over diverse sectoren, waaronder financiën, militaire en overheidscommunicatie, gezondheidszorg en het internet der dingen (IoT), wat de potentie ervan aantoont om cybersecurity te revolutioneren. Het is echter essentieel om waakzaam te blijven voor potentiële aanvallen zoals Photon Number Splitting (PNS) en Faked-State-aanvallen. De integratie van verstrengelde deeltjes in protocollen zoals E91 voegt een extra beveiligingslaag toe. Naarmate de technologie vordert, belooft kwantumcryptografie het landschap van veilige communicatie te hervormen en een veerkrachtige verdediging te bieden tegen evoluerende cyberdreigingen.
Encryptie Consulting's Adviesdiensten voor post-kwantumcryptografie voorzien u van de tools en strategieën om uw gevoelige gegevens te beschermen tegen toekomstige decoderingsbedreigingen.