Чи зможуть квантові технології захистити шифр від злому

Нацисти знали, що секретні комунікації є ключем до світового панування, пише видання Newsweek.
Тому широко застосували електромеханічну шифрувальну машину Enigma, яка дозволяла німецьким дипломатам, військам і навіть підводним човнам безпечно передавати в генеральний штаб радіоповідомлення під час Другої Світової війни. Вони вважали, що їх система досить надійно захищена. І це дійсно було так, поки молодий британський математик, на ім’я Алан Тюринг не запропонував створити машину, яка буде автоматично перебирати тисячі комбінацій ключів до шифру, поки в кінцевому підсумку з набору зашифрованих даних не складеться якесь прийнятне повідомлення. В результат Британія отримала здатність читати секретні повідомлення Німеччини.
Але сьогодні, завдяки технології, яка називається квантовим шифруванням, мрія про ідеально безпечні комунікації є все більш реалістичною. У світі шифрування всі електронні комунікації можуть стати повністю конфіденційними, але це призведе як до позитивних, так і негативних наслідків, з точки зору кібербезпеки. Так, з одного боку, технологія допоможе захистити світ від шахрайства та крадіжки особистих даних, хакерських атак і прослуховування радіоповідомлень. З іншого боку, це також дозволить терористам і злочинцям спілкуватися цілком таємно.
Перший успішний експеримент
Восени минулого року група криптографів і фізиків з Китайської академії наук провела півгодинну відеоконференцію зі своїми колегами у Відні, використовуючи зв’язок на базі квантового шифрування. Дзвінок Пекін-Відень був здійснений з допомогою програми, схожої на Skype, але з одним революційним відмінністю: дані комунікації убезпечили з допомогою ключа шифрування, згенерованого на квантовому пристрої, який перебував на китайському супутнику.
Важливо, що застосування квантової фізики, на базі якої був створений ключ, означає, що будь-яка спроба зламати код може бути негайно виявлена. «Квантовий шифратор надзвичайно близький до суперзащищенным шифрів», — говорить Артур Екерт (Artur Ekert), професор Оксфордського університету і винахідник моделі, на якій китайці заснували свою систему. Метод шифрування Экерта базується на незвичайному ефекті, який називають запутыванием квантових станів. Це явище настільки незвичайне, що навіть Альберт Ейнштейн, який його виявив, був здивований. У 1935 році він описав ефект як «надприродне дію на відстані».
Ось як це відбувається. Дві частинки світла — фотони — можуть точно копіювати поведінку один одного, навіть коли вони перебувають на великій відстані одне від іншого. Чому так відбувається, поки не зрозуміло, але цей феномен був продемонстрований в лабораторних умовах ще в 1984 році. Що стосується осіннього експерименту із створенням захищеного каналу між Пекіном і Віднем, то його суть в тому, що вчені змогли використати ефект заплутування квантових станів для генерації секретного ключа, який складається з ряду бітів даних, що з’являються одночасно в різних кутках Землі. Більш того, китайська команда створила цілісну систему глобальних комунікацій за допомогою шифрування в квантовому режимі. Китайці з’єднали базові станції, підключені до супутників, тисячами кілометрів волоконно-оптичного кабелю для передачі квантових ключів по всій країні.
Незламний шифр
Ще недавно вся криптографія була заснована на створенні математичних шифрів, що теоретично були недоступні для злому за допомогою технічних засобів супротивників. Сьогоднішні стандарти шифрування набагато складніше, ніж Enigma в роки ІІ Світової війни, але вони спираються на ті самі принципи. Ключ, за допомогою якого обидві сторони повинні шифрувати і розшифровувати сигнал, створюється комп’ютером і розподіляється між ними. Але якщо третя сторона має достатню обчислювальну потужність, то потенційно вона може підібрати ключ. Квантове шифрування замінює технічну гонку на основі більш потужних комп’ютерів на зовсім іншу парадигму, де обчислювальні потужності не мають значення. «На відміну від математичних систем… квантове шифрування використовує закони фізики, які не можуть бути порушені», — говорить Екерт.
Шифрування на базі квантової технології потенційно змінить галузі e-commerce і інфобезпеки за рахунок запобігання хакерських атак і крадіжки особистих даних. Невипадково найбільшими інвесторами в сферу квантового шифрування є армії і спецслужби, зокрема, Народно-визвольна армія Китаю і Міністерство оборони США. Китайське уряд інвестував кілька сотень мільйонів доларів США запуск супутника з квантовим обладнанням в космос, а також розгортання величезної кількості інфраструктурних об’єктів на місцях. Обладнання змонтовано на супутнику Micius, який знаходиться на висоті 300 км. Крім того, Китай побудував базові станції в північно-західній частині Тибету на висоті 5 тис. м з метою мінімізувати втрати сигналу в атмосфері Землі, що в західній провінції Китаю і поблизу Пекіна. Квантові коди, одночасно згенеровані на базових станціях та на супутнику Micius, пов’язані з користувачами в Пекіні і Шанхаї через волоконно-оптичний кабель на суші на висоті 1,2 тис. м.
За словами одного з представників влади Китаю, принаймні 600 провідних китайських міністрів і військових чиновників застосовують шифрування з допомогою квантової технології для всіх конфіденційних комунікацій. Однак низька орбіта супутника Micius означає, що користувачі, які не підключені до волоконно-оптичної мережі Китаю, повинні чекати, поки супутник в черговий раз потрапить у зону досяжності, щоб отримати безпечний квантовий ключ. Тому протягом п’яти років Китай планує запустити новий орбітальний супутник на висоту 20 тис. км і покрити значно більшу частину поверхні Землі. Кінцевою метою є сукупність геостаціонарних супутників, які охоплюють весь світ.
Гонка кіберозброєння
США, Китай і РФ беруть участь у потужною, прихованої гонці озброєнь, мета якої – оволодіти сучасним кіберзброєю, починаючи від вірусів, здатних проникати у телефонні і електричні системи, до традиційних шпигунських задач, де вимагається оволодіння таємницями противника. І в найближчій перспективі квантове шифрування не зможе закрити головні уразливості інтернет-світу. І мова йде навіть не про слабке шифрування, а про відсутність умов базової безпеки в Мережі. Згадаймо, що інформаційні системи критично важливих державних установ, включно з Білим домом, були захищені лише ненадійними паролями і вразливим антивірусним ПЗ. Цей факт в 2015-2016 роках широко використовувався киберпреступными угрупованнями, які пов’язують з РФ.
Крім того, згідно з повідомленням колишнього підрядника АНБ Едварда Сноудена, мета більшості сучасних західних розвідок – це не тільки дані, що містяться в електронних листах і телефонних розмовах, але і метадані, тобто інформація про те, хто з ким спілкувався і коли. Навіть у зашифрованому квантовому світі ці метадані все одно будуть доступні. Додатково, незалежно від того, наскільки ідеальною є система квантового шифрування, на кожному кінці «дроту» є людина, яка посилає і отримує повідомлення на свої електронні пристрої, які можна «хакнути» з допомогою вірусів і іншого шкідливого ПО.
І все ж, квантове шифрування може стати дійсно проривний технологією. Якщо основні елементи глобальних комунікацій є безпечними, то значні системні ризики для глобальної інформаційно-комунікаційної інфраструктури кардинально зменшуються. Це зовсім не означає, що ми будемо абсолютно захищеними в інтернеті, тим не менш, з допомогою квантового шифрування потенційно можуть бути застраховані величезні області ІТ, які завжди вважалися киберуязвимыми. Мова йде про операції з кредитними картами, базами даних і будь-якими формами електронного зв’язку. Хоча впровадження нового рівня захисту вимагатиме величезних інвестицій.
Разом з тим, нова технологія потенційно допоможе і терористам і злочинцям. Логічно, що кожна держава чи бізнес хочуть бути впевненими, що їхні секрети абсолютно захищені. Але для спецслужб або розвідників дуже неприємно усвідомлювати, що сторона противника також застосовує непроникну захист. На початку статті ми згадували про шифрувальну машину Enigma, яка широко використовувалася в нацистської Німеччини під час Другої Світової війни. Уявімо, що британці не змогли зламати шифр «Енігма», якою б тоді міг стати фінал війни?