Группа ведущих мировых специалистов по атакам на устройства квантовой коммуникации из Университета Ватерлоо (Канада) под руководством профессора Вадима Макарова провела анализ безопасности квантовой сети, созданной в лаборатории «Квантовой информатики» Международного института Фотоники и оптоинформатики Университете ИТМО. В результате совместных исследований ученые провели проверку наличия потенциальных уязвимостей и предложили пути их устранения, что крайне важно для практического внедрения технологии. О работе, проведенной в лаборатории «Квантовой информатики», а также о ключевых перспективах развития квантовых коммуникаций на ближайшие пять лет — читайте в нашем материале.
  Первая в России городская линия квантовой связи в существующей телекоммуникационной инфраструктуре была запущена в 2014 году сотрудниками компании «Квантовые коммуникации», основанной на базе лаборатории квантовой информатики Международного института фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО. В мае 2017 года та же группа специалистов совместно с коллегами из Казанского квантового центра КНИТУ-КАИ успешно запустила первую в России и СНГ многоузловую квантовую сеть, объединившую четыре узла, расположенные в разных районах столицы Татарстана.
  Сеть, которая работает в Университете ИТМО, была создана на основе принципиально нового подхода: метода квантовой коммуникации на боковых частотах модулированного излучения. Его особенность состоит в том, что одиночные фотоны, с помощью которых происходит кодирование, не излучаются непосредственно источником, а выносятся на боковые частоты спектра в результате фазовой модуляции излучения оптической несущей. Этот подход обеспечивает ряд преимуществ для построения квантовых сетей, обеспечивая высокую устойчивость сигнала к внешним воздействиям на канал связи и значительно большую пропускную способность. Система позволяет передавать квантовую информацию на расстояния более 250 километров (результаты исследования были опубликованы в прошлом году в журнале Optics Express).
  Анализ безопасности квантовой сети, созданной в Университете ИТМО, на протяжении двух недель проводили специалисты из Quantum hacking lab (Университет Ватерлоо, Канада) — которые представляют одну из ведущих групп по работе с атаками на устройства квантовой коммуникации. Лаборатория сотрудничает, в частности, с швейцарской компаний ID Quantique, а также другими профильными компаниями по всему миру. Анализ безопасности сети проводили научные сотрудники Университета Ватерлоо Шихан Саджед (Shihan Sajeed) и Хао Чин (Hao Qin), а также аспиранты Аньчи Хуанг (Anqi Huang) и Пумпонг Чайвонкхот (Poompong Chaiwongkhot) под руководством профессора Вадима Макарова, руководителя лаборатории квантового взлома в Университете Ватерлоо.
 

  «Когда мы работаем с компаниями, мы подписываем договор о неразглашении и получаем доступ ко всем характеристикам сети, алгоритмам и документам — как опубликованным, так и предназначенным для внутреннего использования. Мы начали работу удаленно еще два месяца назад — первым шагом был анализ документов о системе, которая была создана в Университете ИТМО. На следующем этапе мы приехали сюда и получили возможность лично пообщаться с инженерами и разработчиками сети, чтобы уточнить дополнительные детали, — рассказывают Анчи Хуанг и Пумпонг Чайвонкхот. — Основная цель нашей работы здесь состояла в выработке решений, которые помогут Университету ИТМО повысить безопасность системы. Мы попытались указать на некоторые потенциальные проблемы, которые могут возникнуть в системе, ориентируясь на предыдущий опыт, а также проанализировали возможность возникновения других угроз. Мы нашли ряд проблем, и следующим шагом нашей работы станет разработка и предложение решений, которые помогут специалистам улучшить созданную здесь систему».
  Как добавляет Вадим Макаров, все существующие на данный момент системы выполнены по-разному, и протокол, который используется в Университете ИТМО, не похож ни на один из тех, которые применяются в мире. Именно поэтому исследователям потребовалось больше времени на анализ безопасности сети. Полученные результаты лягут в основу отчета, который, как планируют в группе Вадима Макарова, будет подготовлен в течение ближайшего месяца. Отчет будет передан специалистам Университета ИТМО, после чего будет продолжаться индивидуальная работа по проблемам — как внутри вуза, так и в перспективе в сотрудничестве с группой специалистов Университета Ватерлоо.
  Сегодня недостаточно просто собрать квантовую сеть и объявить, что она безопасна, подтверждает Артур Глейм, руководитель лаборатории «Квантовой информатики» Международного института фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО. «Важно доказательно обосновать корректности ее работы, в том числе закрыв все известные уязвимости на уровне "железа". Мы уже начали работать в этом направлении и будем продолжать активно сотрудничать с канадскими специалистами и другими российскими и зарубежными группами. Наша задача — создать качественный продукт на рынке сетевой безопасности, и квантовая сеть в дальнейшем будет выполнять роль испытательного полигона для отработки новых технологий и технических решений», — говорит он.


Артур Глейм

  Квантовые коммуникации гарантируют абсолютную неуязвимость линий оптической связи для хакерских атак. В отличие от математических алгоритмов шифрования, даже самый сложный из которых все-таки можно «раскусить», в системе квантовых коммуникаций на защиту данных встают фундаментальные законы квантовой физики: носителями информации здесь выступают одиночные фотоны, которые необратимо изменяются при любой попытке перехвата сигнала – таким образом, пользователь мгновенно узнает о вторжении в канал.
  Теоретических уязвимостей у квантовой связи нет никаких, говорит Вадим Макаров. Несмотря на ряд недостатков (пока это дорого, медленно, а также имеются ограничения на расстояние и требует дополнительного оборудования), она решает фундаментальную проблему защиты данных: в отношении квантовой коммуникации строго доказано, что она безопасна и теоретически не взламываема. Еще одно преимущество: даже несмотря на огрехи в реализации оборудования для квантовой связи, ее невозможно взломать «задним числом».
  «В мире существует довольно много информации, которая требует длительной защиты: персональные данные, медицинские записи, банковские тайны, коммерческие, правительственные, военные секреты. Пользователя не устраивает, если через двадцать лет это прочитают. Но именно это как раз и происходит с математической криптографией. Потому что всегда классическую информацию — единички, нолики — можно скопировать и ждать, пока появится метод взлома. С квантовой криптографией такого не произойдет. Во-первых, она теоретически невзламываема. Во-вторых, чтобы использовать практические уязвимости, все равно нужно действовать в реальном времени. Даже если была практическая уязвимость, с которой мы работаем, нужно ставить оборудование и взламывать ее сегодня, завтра шанс будет упущен. “Задним числом” она не ломается. Это как раз те две причины, по которым квантовой криптографией все занимаются», — объясняет Вадим Макаров.
 
Вадим Макаров

  Но как тогда все-таки можно взломать квантовые сети?
  Несмотря на отсутствие теоретических уязвимостей, пока квантовые сети не застрахованы от взломов. К ним может привести неидеальность оборудования, всегда существующая в реальных системах. Эта ситуация роднит невзламываемую квантовую криптографию с математической, которую также можно взломать через «лазейки».
  «Там тоже полно дыр в реализации, их находят, закрывают, находятся методы изготовления более устойчивых к дырам систем. Если достаточно анализировать, в конце концов приходишь к тому, что появляются устойчивые реализации. Это известно и много раз наблюдалось в системах классической криптографии. Первые реализации всегда имели какие-то смешные дыры, но проходит 10-20 лет, и специалисты находят метод, который устойчив ко взлому. То же самое происходит сейчас в квантовой криптографии. И мы уже где-то в середине или даже во второй половине этого пути. Мы уже знаем достаточное количество методов взлома, их более десяти. Нам известно, как с ними бороться, и сейчас ведется разработка систем, которые устойчивы к этим методам. Это инженерная работа, которая должна быть выполнена. Лет через пять-десять ожидается, что появятся системы, над которыми мы посидим, подумаем и скажем, что мы ничего не нашли», — говорит руководитель лаборатории квантового взлома в Университете Ватерлоо.
  Но пока специалисты находят, добавляет он. Например, несколько лет назад группа Вадима Макарова обнаружила серьезную уязвимость, к которой приводило «ослепление» детектора. Такие однофотонные детекторы — неотъемлемая часть квантовых коммуникационных систем. Когда детектор поглощает фотон, он регистрирует отсчет, и это является нормальным режимом работы, который необходим для реализации алгоритма квантовой связи. Но если на него просто направить яркий свет, детектор насыщается, «слепнет» и перестает регистрировать отсчеты. Если этот яркий свет промодулировать (определенным образом изменять его яркость во времени), то мы сможем управлять детектором и сделать так, чтобы он выдавал отсчет в заранее запрограммированный момент.
  В компаниях до сих пор борются с этой проблемой, однако в лабораториях удалось победить ее окончательно: научное сообщество уже разработало специальную схему, которая полностью нечувствительна к атакам на детекторы. В этой схеме, внутри защищенного оборудования, детекторов просто нет. Впрочем, даже такие атаки нельзя выполнить «задним числом»: найденные дыры в реализациях не влияют на защищенность уже переданной информации. Таким образом, в любом случае проблемы с реализациями в квантовой криптографии менее серьезны, чем проблемы с криптостойкостью алгоритмов математической криптографии, говорит Вадим Макаров.



  Будущее квантовых сетей: с чем столкнутся разработчики сетей, когда выйдут на реальных пользователей?
Крупнейшие многоузловые квантовые сети уже созданы в США (разработка Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA)), Европе (SEQOQC), Японии (Сеть Токио, разработчик – компания Toshiba), а также Китае, где была запущена самая длинная в мире линия квантовой связи.
  Последний опыт показывает, что сеть уже начинает вовлекать пользователей, что, в свою очередь, позволяет инженерам исследовать реальный опыт работы квантовых сетей, а не только их эффективность в лабораториях. Почему это важно? Особенности использования квантовых систем и логистика существенно отличаются от тех, что существуют в математической криптографии, говорит Вадим Макаров. Именно поэтому исследователям уже сегодня необходимо получать реальный опыт и думать над решением проблем, с которыми могут столкнуться разработчики систем в будущем.
  «Какие могут быть потенциальные проблемы? Самое главное: как интегрировать квантовую криптографию с уже существующей информационной инфраструктурой. Ведь у нее есть свои особенности применения, которые не похожи на классическую криптографию. Например, логика передачи ключей: нужно всегда иметь цепочку оптических линий, — уточняет Вадим Макаров. — Сейчас идет работа с инженерами, специалистами по информационной безопасности, которая направлена на понимание того, как интегрировать квантовые методы с уже существующим большим набором методов классической криптографии, как их постепенно внедрить и сделать это безболезненно. И при этом не получится разрушить все до основания и построить снова. Происходит постепенный процесс вставки квантовых методов, их интеграция с уже существующими».
  При этом вряд ли квантовые принципы полностью вытеснят классическую криптографию: скорее всего, рынок будет поделен между этими технологиями, предполагает он. Несмотря на ограниченное время безопасности, математическая криптография все же найдет свое применение — например, для хранения информации с ограниченным сроком конфиденциальности. Тогда как квантовые методы найдут свою нишу в областях, где потребуется более долгосрочное хранение секретной информации.

 Оригинал статьи здесь : http://news.ifmo.ru/ru/science/photonics/news/7084/
 Автор: Елена Меньшикова, Редакция новостного портала Университета ИТМО