квантовая криптография презентация

И ГЕНИЙ, ПАРАДОКСОВ ДРУГ... А.С.Пушкин

Круглый стол конференции «Infosecurity Moscow 2009»
30 сентября 2009 г., 10:30-12:00, ЭКСПОЦЕНТР на Красной Пресне, 7й павильон, зал «Панорама»

для тех, кто станет искать в ней прямую практическую выгоду, неактуальна. Люди, собравшиеся за круглым столом, вряд ли при жизни увидят практическое применение предметов своего обсуждения в массовом пользовании

Но:

Тема несет в себе обаяние и дух неизведанного, присущие переднему краю фундаментальной науки

Это – повод собрать очень интересных и умных людей, сохраняющих традицию великой советской науки в наше непростое для фундаментальной науки время

Это – повод популярно, на понятным языке, рассказать аудитории специалистов информационной безопасности, интересы которых выходят за рамки узко-прагматических аспектов своей специальности, о реальном состоянии дел в области пересечения теоретический и экспериментальной физики, информатики, математики и криптографии, о которой так много говорят...

на фоне которых создание микросхемы или Интернета покажется лишь эпизодом»
«Устройство, которое через считанные годы лишит сна военных, банкиров и вообще всех, чье благополучие или безопасность критически зависят от надежности защиты информации, называется квантовым компьютером. <...> Разгадывание шифра с ключом на основе разбиения на простые множители трехсотразрядного числа на классическом компьютере потребует уже 13 миллиардов лет (сегодняшний возраст Вселенной) непрерывной работы, а квантовый компьютер, по словам специалистов, справится с такой задачей за несколько недель»
http://www.inftech.webservis.ru/it/hard/qc/ar1.html


«...любой шифр когда-нибудь взламывается. В наше время наиболее существенной угрозой классической криптографии является использование принципов квантовой механики в вычислениях. <...> Квантовая механика, с одной стороны, угрожая раскрытием ключевых классических шифров, с другой - дает возможность создавать принципиально новые и потенциально абсолютно надежные криптографические системы»
http://www.itsec.ru/articles2/crypto/kvantovaya-kriptografiya-chto-novogo

Вячеславович Корольков, к.т.н., заместитель начальника управления Центра ФСБ России, с.н.с., член-корреспондент Академии Криптографии

Дмитрий Викторович Матюхин, к.ф.-м.н., ведущий специалист Центра ФСБ России

Виталий Робертович Григорьев, к.т.н., сотрудник Аппарата Совета Безопасности Российской Федерации

ВЕДУЩИЙ КРУГЛОГО СТОЛА:
Сергей Дмитриевич Рябко, к.ф.-м.н., президент гр.комп. «С-Терра»

«Я не специалист ни в области квантовой криптографии, ни в области квантовой информатики. Просто в молодости защитил диссертацию по квантовой электронике, а сейчас моя работа связана с криптографическими приложениями. Поэтому надеюсь, что эта пограничная зона знаний позволит мне, пусть запинаясь, задать вопросы профильным специалистам на их родных языках»
Сергей Рябко

брэнда «Очевидное невероятное» на использование этого словосочетания на нашем круглом столе

Организаторы круглого стола выражают надежду, что это неавторизованное пользование не будет рассматриваться, как грубое нарушение прав интеллектуальной собственности. Просто формат нашего круглого стола – дискуссия передовых ученых, работающих в самых разных областях знаний – является для нас данью уважения к создателям этого потрясающего интеллектуального медиа-проекта, зародившего интерес к науке в умах представителей нескольких поколений и выжившего даже в эпоху повальной коммерциализации СМИ и внесшего беспрецедентно большой вклад в дело популяризации научных знаний


Организаторы и участники круглого стола выражают благодарность и признательность всем создателям этой передачи и от всей души желают всем ее участникам, и в первую очередь Сергею Петровичу Капице, доброго здоровья, энергии и долгих лет жизни!

и в криптографии и в криптоанализе

в мире элементарных частиц «все не так, как у нас» является интерференция электронов
Электрон – казалось бы, не какая-нибудь волна (фотон). Эти частица, обладающая внушительной массой, типа камушек
Так вот, Вы бросаете камушки на экран с двумя отверстиями, расстояние между которыми много больше размера камушка – и вместо 2х кучек, что было бы естественно в «нашем» мире, получаете за экраном интерференционное распределение камушков, т.е. много кучек! Причем этот эффект наблюдается и при слабом потоке электронов, когда через экран пролетает один электрон в один момент времени!
Следовательно, электрон, пролетая через экран, «знает» о двух отверстиях сразу и какой-то частью пролетает через одно, а какой-то – через другое отверстие! Иными словами, квантовый объект с определенной вероятностью одновременно присутствует в каждом из отверстий!

Таким образом, и этим микромир принципиально отличается от макромира, в микромире мы не можем просто сказать «значение параметра равно...», мы должны добавить «... с такой-то вероятностью»

значения двух параметров квантового объекта. Более того, чем точнее мы определяем один из параметров, тем выше неопределенность в отношении второго значения. Этот принцип фундаментален, эмпирически подтвержден и лежит в основе квантовой механики

Следствием принципа неопределенности Гейзенберга считается принцип взаимовлияния на квантовом уровне измеряющего прибора и измеряемого объекта: изменение обязательно изменит состояние объекта, явление «квантовой запутанности», связанное с неразличимостью квантовых объектов внутри определенного ансамбля и неопределенностью их состояний

алгоритмы распределения ключа (генерации разделяемого секрета)
Квантовые алгоритмы ДСЧ


Криптоаналитические приложения квантовых вычислений
Устоят ли современные (и будущие) коды перед криптоанализом, выполняемым квантовым компьютером?

поняли? – Не беда (да и не мудрено: изложение сжато и по тексту wikipedia есть неточности)

Суть не в механизме, понять важно только способ «эксплуатации» принципа Гейзенберга:

получатель и отправитель достоверно знают, что если фотон «прослушали» – он изменил состояние; а если состояние фотона неизменно – то этот факт принимается как признак того, что фотон никем не прочитан, следовательно – конфиденциален

ОБЪЕКТА, СУЩЕСТВУЕТ ТОЛЬКО В КВАНТОВОМ МИРЕ. В «НАШЕЙ» РЕАЛЬНОСТИ ЕГО НЕТ. НО, ЖИВЯ В «НАШЕМ» МИРЕ, МЫ НАУЧИЛИСЬ РАБОТАТЬ С КВАНТОВЫМ ОБЪЕКТОМ И ДЕТЕКТИРОВАТЬ ФАКТ КВАНТОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ

Вопрос: Измеримо ли изменение состояния объекта, вносимое измерением? Управляемо ли это изменение? Может ли злоумышленник подобрать два или более измерения так, чтобы по результату серии измерений объект «вернулся» в исходное состояние и Алиса и Боб «не заметили» измерения?

ПОЛУЧАЮТ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ТОГО, ЧТО НА ДРУГОМ КОНЦЕ КАНАЛА ОЖИДАЕМЫЙ ПАРТНЕР, А НЕ ЗЛОУМЫШЛЕНИК

Вопрос: Известны ли нам квантовые протоколы с аутентификацией участников без предварительного распределения между ними «классического» секретного ключа? можно ли построить такой протокол в принципе?

О НОВЫХ РЕКОРДАХ ПОСТУПАЮТ ПОЧТИ ЕЖЕНЕДЕЛЬНО

Вопрос: Насколько эти цифры масштабируемы? Насколько каждая последующая сотня километров, сотня килобит/с будет дороже предыдущей сотни?

для понимания этого протокола такой простой метафоры было достаточно
На самом деле q-бит – это объект, который находится с определенной вероятностью в каждом из состояний!
В квантовой физике такое состояние называется суперпозицией состояний |0> и |1>

Более того, в силу принципа неопределенности он может находиться в любом состоянии с некоторой вероятностью
Вероятность того, что q-бит принимает определенное значение |0> (α) или |1> (β) может быть весьма высока (α>>β или α<<β), но, пока мы не произвели измерение, нельзя утверждать, что (α|β=1) или (α|β=0)
Наличие ортогонального базиса состояний (|0> и |1>) и «координат» (α и β) порождает у всякого, проходившего в детстве курс аналитической геометрии и линейной алгебры, иллюзию фрагмента двумерного пространства. Кажется, что q-бит может нести в себе куда больше информации, чем 1 классический бит...
Но это не так. Как только мы измерили состояние q-бита, «пространство» α|0> + β|1> тут же вырождается в «точку» |0> или |1>!
Суперпозиция состояний двух или более частиц порождает корреляцию (взаимосвязь, взаимозависимость) их состояний, называемую «квантовой сцепленностью» или «квантовой запутанностью»
Если два квантовых объекта находятся в состоянии «сцепленности», то, определенному состоянию одного объекта будет сопоставлено определенное же состояние другого объекта, а воздействуя на один объект, мы изменяем состояние и другого

НЕУПРАВЛЯЕМЫЙ ОБЪЕКТ! А ДЛЯ КВАНТОВЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ НАМ НУЖНО СОБРАТЬ И «ЗАСТАВИТЬ НАС СЛУШАТЬСЯ» МНОГО Q-БИТОВ!

Вопрос: Что же происходит с q-битом во время измерения? и после него: мы измерили его состояние, знаем его наверняка, т.е. без неопределенности? т.е. «измеренный» q-бит становится детерминированным, т.е. перестает быть квантовым объектом? и мы больше не можем им пользоваться и должны взять где-то новый, «никем не измеренный»?

Мы измерили его поляризацию, после чего он поглотился счетчиком фотонов – и больше не существует
В квантовом компьютере – у нас есть несколько кандидатов:
Свободная элементарная частица (например, электрон) с определенным состоянием спина
Атом или ион в том или ином состоянии спина или возбуждения
Заряд гранулы (размер ~10-8 м) сверхпроводящего материла
Анионное возбуждение

ли резервы оптимизации по эти направлениям? и когда они будут исчерпаны?

их за один такт... А что тут нового?
В в повседневной жизни мы давно пользуемся процессорами, которые имеют регистр L битов без всяких q и тоже обрабатывают L битов за один такт...
... причем на памяти одного поколения длина регистра выросла (в потребительской технике) от 8 до 64, а тактовая частота изменилась с ~1МГц до ~1 ГГц...
Новое лежит в квантовой природе q-бита:
Для q-битов мы, возможно, сможем применять более эффективные способы манипуляции регистром, увеличивать длину регистра и «тактовую частоту»
Использовать явление «квантовой запутанности» как механизм управления регистром и как основу «квантовых» вычислительных алгоритмов

преобразование
Производим измерение состояние регистра
При этом получаем некоторую строку состояния |0>,|1>,|1>,|0>,|1>,… , |0>
Регистр q-битов при этом, как квантовый объект, перестает существовать
Производим проверку результата (он носит вероятностный характер), если результат неправильный – решаем итерационную задачу по его уточнению (тут существуют быстрые алгоритмы)

Из перечисленных операций по-настоящему «квантовым» является шаг 3 (и, возможно, 4)

http://nextbigfuture.com/2009/06/ultracold-two-ion-quantum-computer.html
Одна из многих идей

ИЗ НЕУПОРЯДОЧЕННОГО МНОЖЕСТВА ИЗ N ЭЛЕМЕНТОВ ЗА ВРЕМЯ О(N). КВАНТОВЫЙ – УПРАВИТСЯ ЗА О( N)!

Вопрос: Как можно выбрать нужный элемент из множества, перебрав только его малую часть? за счет чего достигается этот мистический результат?

НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ МАТЕМАТИКИ

Вопросы: Чем квантовый алгоритм отличается от неквантового? он –сложнее или проще? Может ли квантовый алгоритм решать неразрешимые в «классике» задачи? какие – наиболее эффективно, какие – без выигрыша? С чем оперирует квантовый алгоритм и как будет выглядеть «квантовый язык программирования»?

разработка алгоритма шифрования, для которого стойкость была бы строго доказана применительно к заданной вычислительной мощности. Мы пока далеки от достижения этой цели. Тем не менее, хотя нам приходится удовлетвориться результатом без полного доказательства стойкости, современные результаты разработки шифров очень впечатляющи. На сегодня представляется возможным разработать такой шифр, который будет безопасен, даже если вся энергия и материя известной нам части вселенной, вложенная в вычислительную мощность, в том числе в модели квантового компьютинга, будет направлена на взлом этого шифра.<...> Такой шифр потребовал бы чтобы размер блока и ключа составлял бы несколько тысяч бит и он должен был бы строиться с учетом многих известных принципов дизайна криптоалгоритмов. Другими словами, в симметричной криптографии представляется реальной полная победа кодировщиков над взломщиками кода»
Ueli Maurer, «Cryptography 2000±10», Department of Computer Science, Swiss Federal Institute of Technology (ETH), Zurich, CH-8092 Zurich, Switzerland, ftp://ftp.inf.ethz.ch/pub/crypto/publications/FGMO01.pdf
Отметим: Маурер говорит о неквантовых способах зашифровать так, что и квантовый компьютер не расшифрует

Artur Ekert, квантовая запутанность
1991, Bennett и Ко., первый эксперимент QKD
1991, John Rarity и Ко., однофотонные коммуникации в условиях атмосферы
1993, Paul Townsend и Ко., квантовые коммуникации с оптоволокном
1995, Bennett и Ко., развитие теории privacy amplification
2014,ТЕР, задача: довести квантовую криптографию до состояния общедоступной практической технологии

Number Generator with 200X improvement in Energy x Performance Product 09-Feb-2009 http://news.ntu.edu.sg/

Источник: http://www.idquantique.com/

В чем преимущества квантового?

ли эти технологии массово используемыми? когда? какие при этом у них будут технические параметры?




Можно ли сформулировать «закон Мура» для
квантовых криптоприборов?
квантовых компьютеров?
какие факторы будут ограничивать их рост?

работает в «одной связке» с неквантовой
при этом, если квантовая криптография идеальна – то неквантовая часть становится «слабым звеном» и по принципу «стойкость системы защиты равна стойкости слабейшего звена» – ограничивает возможности квантовой криптографии
следовательно, заключает Шнайер, квантовая криптография не нужна
Он – прав?

например, шифрования. Набор примитивов классической криптографии намного богаче. Стоят они дешевле. Обладают, по Мауреру, стойкостью, достаточной для противостояния любой вычислительной мощности
Является ли на этом фоне квантовая криптография приоритетным направлением для криптографов? или приоритеты других задач выше?
Если да – то каких?

расположенная в Женеве, Швейцания. Продает системы квантового распределения ключей, счетчики единичных фотонов и физические датчики случайных чисел. Компания была первой в мире, предложившей коммерческие продукты квантового распределения ключей в 2004 году»
http://en.wikipedia.org/wiki/Id_Quantique
«Помимо $82 тыс. за пару устройств QKD от id Quantique, стоимость эксплуатации "тёмного волокна" остается высокой, потому что финансовое бремя включает плату за как минимум два канала: один для собственно обмена ключами и другой для зашифрованных данных»
http://www.3dnews.ru/news/kvantovaya_kriptografiya_dlya_mass/

A recognized worldwide leader in the commercialization of Quantum Cryptography products, the company was first to bring this new technology to the market in 2001

Источник: http://www.idquantique.com/

создании образца квантового компьютера, состоящего из 16 кубит (устройство получило название Orion). Однако информация об этом устройстве не отвечала строгим требованиям точного научного сообщения; новость не получила научного признания. Более того, дальнейшие планы компании (создать уже в ближайшем будущем 1024-кубитный компьютер) вызвали скепсис у членов экспертного сообщества[7] В ноябре 2007 года та же компания D-Wave продемонстрировала работу образца 28-кубитного компьютера онлайн на конференции, посвященной суперкомпьютерам[8]. Данная демонстрация также вызвала определенного рода скепсис.
В декабре 2008 года компания организовала проект распределенных вычислений AQUA@home(Adiabatic QUantum Algorithms) [9], в котором тестируются алгоритмы, оптимизирующие вычисления на адиабатических сверхпроводящих квантовых компьютерах D-Wave
http://ru.wikipedia.org/, «Квантовый компьютер»

«По научной же составляющей возникает масса вопросов <...>. Ни на один из этих вопросов мы не получили ответа <...> КК - это не ноутбук, и даже не Cray. Создание масштабируемого полнофункционального Создание масштабируемого полнофункционального КК на 100 (сто) кубитов будет событием в естествознании, перед которым померкнет квантовая физика как таковая. Я лично думаю, что этого не произойдет никогда - в силу фундаментальных ограничений. А вот что будет сделано почти наверняка - ограниченный квантовый процессор. <...> Такая цель реальна. Но она достижима только на пути серьезных исследований с возможностью полного контроля и воспроизведения результатов»
Юрий Ожигов, профессор кафедры квантовой информатики МГУ
http://offline.computerra.ru/2007/677/310169/

http://news.ferra.ru/hard/2007/02/14/65509/

и зачем нужны эти и подобные компании?


Сколько вообще (в абсолютных или относительных цифрах) люди готовы платить за безопасность? окупаемы ли огромные затраты на квантовые методы защиты? в каких специфических областях?

следующего президента», 29 октября 2008 года:
Квантовая криптография – квантовые вычисления полностью изменят все аспекты информационных технологий; однако наибольшие, с точки зрения национальной безопасности последствия ожидаются в криптографии. <...> Все это еще пока только концепция, но Соединенные Штаты в этой игре отстают от всего мира («rest of the world»)
Статья «Quantum Computing and the Ultimate Limits of Computation: The Case for a National Investment», Scott Aaronson, MIT, Dave Bacon, University of Washington, December 12, 2008»:
«Во первых, квантовые вычисления должны рассматриваться, как проблема национальной безопасности...» - и далее еще четыре причины для финансирования исследований правительством США
Исследовательская записка майора ВВС США Дональда Барретта «Квантовая криптография: операционные последствия к 2030 г.», университет ВВС США, 2008:
«... ВВС США должны наращивать поддержку [глобальных исследований в области квантовой криптографии] <...> Хотя этого нелегко добиться, усилия обернутся продлением доминирования ВВС США и более чем окупят потраченные усилия»
«Если сегодня армия США не удовлетворена производительностью коммерчески доступных приборов, то не позднее 2020 вы будете пользоваться ими»


А у нас – есть поводы для беспокойства?

!

безопасности?
Предположим, квантовый компьютер создан. Перевернет ли он мир? в каких областях создаст угрозы безопасности?
Расшифруют старые невзломанные шифры в архивах?
Не все. И за сроком давности – будут ли секреты актуальны?
«Сломают» существующие банковские системы?
Вряд ли. Вчерашние платежки мало кому интересны, а «сегодняшние» - быстро спрячут под стойкие шифры
Владелец квантового компьютера станет монополистом невиданной вычислительной мощности? опередит всех в технологическом развитии?
Ненадолго. Технология будет воспроизведена странами конкурентами
Кто способен обеспечить «квантовый прорыв» в в России:
Академия Наук? Роснанотехнологии? секретные НИИ силовых ведомств?

кафедра квантовой информатики ВМиК МГУ выпускает специалистов
Зачем? и чем они занимаются в отсутствие квантового компьютера?

криптография, ценными? почему:
потому что академическая наука нужна сама по себе и во имя себя?
потому что это – способ вырастить научную, культурную, технологическую элиту?
потому что она часто дает революционный практический выход, хотя, возможно, во вполне неожиданных областях деятельности?
если так – то в какой «неожиданной» области деятельности могут «выстрелить» обсуждавшиеся на нашем круглом столе технологии?