Уязвимости систем квантовой криптографии

В настоящее время ведется активное развитие коммуникационных сетей на базе криптографии, использующей метод квантового распределения ключей (QKD). Еще относительно недавно эти системы считались неуязвимыми, так как в них для обеспечения конфиденциальности информации делается упор на передачу информации с помощью объектов квантовой механики. То есть, кодирование и передача данных в этих системах происходит в квантовых состояниях фотонов, которые в соответствии с законами физики необратимо меняются при попытке их изменения третьими лицами.Современные аппаратные средства систем QKD могут надежно защитить только от атак типа «человек посередине», т.е. когда злоумышленник проникает в оптоволоконный кабель между отправителем и получателем. При этом происходит нарушение квантового состояния фотонов и сеанс связи прекращается.

Современные аппаратные средства систем QKD могут надежно защитить только от атак типа «человек посередине», т.е. когда злоумышленник проникает в оптоволоконный кабель между отправителем и получателем. При этом происходит нарушение квантового состояния фотонов и сеанс связи прекращается.

На практике, чтобы провести оптическую обработку сигнала, в квантовой системе связи применяются 20-30 сложных электрооптических, тысячи электронных компонентов, а также соответствующие протоколы. Любой квантовый хакинг требует подключения к оптической линии связи, поэтому уязвимости подобных систем возникают при атаке на конкретный канал, где происходит передача состояний фотонов.

Квантовые атаки: вызов современной криптографии и способы защиты

Всего на данный момент известно около 25 разновидностей потенциальных квантовых атак. Ожидается, что их количество будет неуклонно расти в связи с расширением во всем мире квантовых линий связи. Мы рассмотрим некоторые атаки, а также возможные пути защиты от них.

Когерентные атаки

Этот тип атак считается самым простым, они основаны на перехвате и переотправке фотонов. Злоумышленник считывает данные в случайном базисе и отправляет их по линии связи. Если базис угадан, то субъект угрозы успешно перехватывает бит информации. Вероятность успешного осуществления такой атаки невелика (Р=1/2n, где n – количество бит ключа). А квантовый протокол BB84 неуязвим к данному виду атаки при достаточно большом размере ключа.·

Некогерентные атаки

Принцип такого типа атак заключается в перехватывании и перепутывании фотонов отправителя с набором пересылаемых отдельных фотонов. Хакеру приходится отдельно обрабатывать каждый приходящий из передатчика фотон.

Некогерентные атаки включают атаку перепутывания квантовых проб с фотонами, пересылаемыми по каналу квантовой связи. В этом случае каждый фотон, независимо от других, должен быть перепутан с отдельным образцом (пробой). Обработанный фотон посылается на приемник, после этого злоумышленник может сохранять свои пробы в квантовой памяти и по отдельности измерять их состояния после того, как абоненты квантового канала связи завершат свой открытый обмен сообщениями. Прослушивая открытые сообщения, субъект угрозы сможет получить базисы, используемые отправителем, а, следовательно, найти свой способ измерений для получения недостающих данных об использованном ключе.

Решение: Уровень ошибок, вносимых хакером, может быть снижен за счет уменьшения объема данных о ключе, которые он получает.·

Атаки на детектор

Атаки на детекторы делятся на атаки с ослеплением однофотонного детектора и атаки разделения фотонов. В случае атаки с ослеплением однофотонного детектора злоумышленник считывает информацию, отправляемую передатчиком, и посылает ее дальше по каналу связи, используя очень мощный импульс. Несовершенный детектор воспринимает такой импульс как обычный сигнал, в результате чего теряется эффект наблюдателя. Таким образом, злоумышленник может незаметно получить доступ ко всей информации, передаваемой через квантовый канал связи.

Решение: Для защиты от этой уязвимости рекомдуется установить перед детекторами источник единичных фотонов, срабатывающий в случайные моменты времени – это позволит убедиться, что детектор работает в квантовом режиме. Кроме того, источники и датчики одиночных фотонов в установках квантовой криптографии можно защитить от «ослепления» с помощью волоконно-оптического циркулятора, который поглощает энергию лазера субъекта угрозы и мешает ему вывести из строя критически важные компоненты системы связи.

Проведение атаки с разделением фотонов заключается в том, что в импульсе выявляется не один фотон, а несколько. За импульс передается ноль фотонов, иногда один, реже два или больше. В случае, когда за один импульс передается больше одного фотона, злоумышленник может их разделить, а отведенный фотон будет перепутан с пробой. Оставшаяся неизменная часть данных будет переслана получателю, а хакер-перехватчик сможет узнать правильное значение пересылаемого бита, не внося ошибок в отфильтрованный ключ. Это позволяет субъекту угроз оставаться незамеченным и скрытным, считывая данные.

Решение: Проблему можно устранить, используя идеальные источники фотонов, которые находятся в активной разработке, или модификацию существующих протоколов. Так, в протоколе SARG04 (усовершенствованный BB84) отправитель не анонсирует базис своего бита. В результате злоумышленнику потребуется хранить гораздо больше копий измерений для того, чтобы определить состояние фотонов, что не позволит ему успешно реализовать атаку. ·

Замена квантового канала

Атака заключается в замене хакером квантового канала, имеющего потери и используемого абонентом, на канал, не имеющий потерь, которую отправитель и получатель могут не заметить. Если атака пройдет, то тогда злоумышленник сможет задержать и заблокировать большинство импульсов (при условии, что исходный канал имел большой процент потерь) так, чтобы приемник получил приблизительно ожидаемое число импульсов. При этом, субъект угроз сможет получить всю информацию о ключе, успешно считывая все передаваемые данные и не внося никаких ошибок.

Решение: С целью избежать успешного применения такой атаки на практике должны использоваться только квантовые каналы с высоким коэффициентом передачи сигнала.

«Квантовый Троян»

Принцип действия такого типа атаки заключается в отправке яркого луча света получателю и анализе возвращенного луча. Данная атака в основном направлена на протокол SARG04, она восстанавливает ключ, считывая случайный базис получателя с вероятностью выше 90%. Протокол SARG04 более устойчив к атаке разделения фотонов, чем BB84, однако уязвим к атаке «Квантовый Троян»

Решение: Одним из способов нейтрализации этой угрозы является установка монитора-детектора, который случайным образом перенаправляет некоторую часть входящих сигналов на детектор получателя. Также эффективным решением может оказаться постоянное наблюдение за лавинными светодиодами получателя в реальном времени.

Для успешной борьбы с различными видами атак необходимо продолжать развитие аппаратного обеспечения и протоколов квантового распределения ключей, а также готовить исправления для изученных уязвимостей.

Следует отметить, что последнее время зарубежные специалисты активизировали работы по совершенствованию способа измерения послеимпульсов – шумового параметра, точность измерения которого критична для эффективной работы детектора одиночных фотонов. Использование алгоритма, который уменьшает неопределенность измерения одного из главных шумовых параметров детектора позволит повысить достоверность измеренных параметров в целом.