Optycznie zabezpieczone klucze jednorazowe: tych szyfrogramów nie złamią nawet komputery kwantowe

Szyfry z kluczem jednorazowym to spełnienie marzeń każdegoszpiega – takiego dużego zbioru niepowtarzalnych i przypadkowychsekwencji znaków po prostu nie można złamać. Jako że klucztworzony jest losowo, napastnik nie ma żadnych informacji, któreułatwiłyby mu odszyfrowanie wiadomości. Problem jednak w tym, żestosowanie szyfrów z kluczem jednorazowym wymaga od nadawcy iodbiorcy wcześniejszego uzgodnienia ogromnego zbioru klucza, któremusiałyby być zarówno losowe, jak i bezpiecznie przekazane drugiejstronie, dlatego w praktyce stosuje się je bardzo rzadko – np. wten sposób zaszyfrowana jest gorąca linia między Białym Domem aKremlem. Jednak dzięki pomysłowi fizyków z California Institute ofTechnology i holenderskiego University of Twente, szyfry z kluczemjednorazowym mogą się teraz upowszechnić. Rozwiązali oni bowiemproblem bezpiecznego przekazywania kluczy.Opublikowany w arXiv.org artykuł pt. Physical key-protectedone-time pad, autorstwa uczonych Roarke Horstmeyera, BenjaminaJudkewitza, Ivo Vellekoopa i Changhuei Yanga opisuje kryptosystem,który nie tylko jest niemożliwy do złamania, ale też i któryzapewnia ogromne bezpieczeństwo kluczy. Wykorzystywane szyfry z kluczem jednorazowym działają dodającdo wiadomości zbiór losowo wygenerowanych liczb, wskutek czegonapastnik nie może znaleźć w szyfrogramie żadnych regularności.Aby odczytać wiadomość, odbiorca odejmuje po prostu od wiadomościten sam zbiór losowo wygenerowanych liczb. Jeśli losowość jestwystarczająco dobra, to żadne znane narzędzia matematycznewykorzystywane w kryptografii nie pozwolą na złamanie takiegoszyfrogramu. Co więc może zrobić napastnik, by odczytać depeszę?Musi oczywiście przechwycić klucz. W czasach, gdy szyfrowanieodbywa się niemal wyłącznie za pomocą urządzeń elektronicznych,nie jest to niewyobrażalne – można zinfiltrować komputery, czyniepostrzeżenie skopiować wszystkie bity klucza. [img=crypto2]Pomysł jest bardzo ciekawy – klucz generowany jest za pomocąspecjalnego generatora, zapewniającego odpowiedni poziom entropiidzięki swojej fizycznej strukturze. Zamiast generować sekwencjęzer i jedynek, urządzenie Horstmeyera tworzy losowy sygnał,przepuszczając światło przez szklany dyfuzor. Sygnał ten nie jestnigdzie zapisywany w formie elektronicznej.Jak za pomocą takiego systemu można się bezpieczniekomunikować? Z artykułu wynika, że sprawa jest całkiem prosta.Jak to w kryptografii zwykle bywa, i tym razem do czynienia mamy zAlicją i Bobem, wyposażonymi w swoje szklane dyfuzory. Muszą onisię przynajmniej raz fizycznie spotkać, by podczas spotkaniastworzyć klucz szyfrujący. Robią to przepuszczając przez dyfuzoryten sam losowy impuls świetlny, a następnie sumując wyniki, i wrezultacie uzyskując kombinowany klucz. Potem publikują kombinowanyklucz i wzorzec świetlnego impulsu w publicznie dostępnym miejscu.Gdy teraz Alicja chce przesłać wiadomość do Boba, toprzepuszcza światło o zadanym wzorcu przez swój dyfuzor i uzyskanysygnał dodaje do wiadomości. Bob, aby odczytać powstałyszyfrogram, musi dodać go do kombinowanego klucza, a następnieodtworzyć swoją część klucza przepuszczając świetlny wzorzecprzez swój dyfuzor. Uzyskany wynik dodaje do wyniku poprzedniegokroku – i wówczas może odczytać szyfrogram.W tym momencie zainteresowana korespondencją Alicji i Boba Ewa matylko jedno wyjście, by dobrać się do ich komunikacji – musiwykraść jeden z dyfuzorów. Może osiągnąć to za pomocą łamaniagumową pałką, bijąc Alicję lub Boba, lecz w wielu wypadkachtaki atak jest bez sensu – oficer kontrwywiadu zwykle nie chce, bykomunikujący się szpiedzy zorientowali się, że są podsłuchiwani.Ewa mogłaby by więc spróbować niepostrzeżenie skopiowaćdyfuzor, ale jak piszą autorzy artykułu, pozyskanie informacji ostrukturze szkła zajęłoby jej przynajmniej 50 godzin. Jest tak, ponieważ jedynym sposobem na to jest przepuszczanieświatła przez szkło w tempie ograniczonym przez ilośćgenerowanego przez ten proces ciepła, a ciepło zmieniamikrostrukturę szkła. Czas ten powinien wystarczyć Alicji i Bobowina zauważenie, że coś się stało i podjęcie zapobiegawczychdziałań.Oczywiście każdy klucz kombinowany wykorzystywany w takiejkomunikacji też musi być jednorazowy, ale możliwe jestwygenerowanie ich bardzo dużej liczby w krótkim czasie, przesyłającprzez dyfuzory różnorodne wzorce świetlne. Taki system komunikacjimoże teoretycznie zapewnić odporność nawet na atakiprzeprowadzane za pomocą komputerów kwantowych czy innychfantastycznych maszyn o nieograniczonej mocy obliczeniowej.Z całym artykułem zapoznać się możecie tutaj.