Исследователи из Инженерной школы Университета Торонто обнаружили ранее неизвестные уязвимости в устройствах, генерирующих квантовые частицы для систем связи. Эти скрытые многомерные побочные каналы возникают именно в квантовых источниках, таких как генераторы фотонов, и могут поставить под угрозу безопасность протоколов квантовой коммуникации. Результаты исследования, возглавляемого аспиранткой Амитой Гнанапандитан, опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Безопасность квантовой связи основана на фундаментальном свойстве квантовой механики — сопряженных состояниях, таких как положение и импульс частицы. Измерение одной сопряженной переменной неизбежно вносит возмущения в другую. При случайном выборе переменных для кодирования любое подслушивание оставляет обнаруживаемые следы. Кроме того, квантовая теорема о запрете клонирования не позволяет злоумышленнику незаметно скопировать передаваемое сообщение.
Несмотря на теоретическую защищенность, практическая реализация квантовых систем связи может содержать уязвимости. В период с 2000 по 2012 год были обнаружены побочные каналы, связанные с работой квантовых детекторов. Эти лазейки позволяли перехватывать информацию без внесения заметных возмущений, компрометируя безопасность.
В 2012 году профессор Хой-Квонг Ло и его коллеги разработали протокол, названный измерение-независимым квантовым распределением ключей (MDI-QKD). Этот протокол эффективно нейтрализует побочные каналы, связанные с детекторами квантовых частиц, значительно повысив надежность систем.
После решения проблемы с детекторами внимание исследователей, включая Амиту Гнанапандитан (работающую под совместным руководством профессоров Хой-Квонг Ло и Ли Цянь), сместилось на потенциальные уязвимости в самих источниках квантовых частиц.
Центральным элементом стала проверка «предположения о размерности». Это допущение гласит, что степень свободы, используемая для кодирования (например, оптическая поляризация фотона), не коррелирует с другими степенями свободы этого же фотона. В идеале кодирование происходит только в рамках двух сопряженных базисов поляризации, без связи с иными характеристиками частицы.
Нарушение этого предположения открывает лазейку: если такая корреляция существует, злоумышленник может измерить другую, не связанную с кодированием, степень свободы и получить информацию о закодированном параметре (например, поляризации). Это ставит под угрозу секретность передаваемого ключа. Известным примером нарушения является «эффект шаблона» (pattern effect), когда информация из предыдущих сигналов просачивается в последующие из-за корреляций между ними.
Команда из Торонто продемонстрировала (с помощью теоретических моделей и реальных квантовых источников) новый, ранее не учитывавшийся тип нарушения предположения о размерности. Оказалось, что сам процесс модуляции, используемый для кодирования информации в источнике, может изменяться во времени даже в пределах одного оптического импульса.
Исследователи осознали, что такая изменяющаяся во времени модуляция сама по себе является нарушением предположения о размерности. Для описания этого дефекта был введен термин «скрытая многомерная модуляция». Изменение кодирования во времени — лишь один из конкретных примеров этой более общей уязвимости.
Серьезность этой проблемы зависит от пропускной способности (bandwidth) используемого оборудования. Оборудование с высокой пропускной способностью позволяет генерировать модулирующие сигналы, близкие к идеальным, что потенциально смягчает проблему. И наоборот, ограниченная пропускная способность может привести к сильному искажению модулирующих импульсов, усугубляя уязвимость.
Существует альтернативный тип источника, который может быть не подвержен этой конкретной уязвимости — так называемый пассивный источник QKD. Поскольку такие источники не используют модуляторы для кодирования информации, описанные проблемы, связанные с пропускной способностью и модуляцией, к ним неприменимы.
В дальнейшем команда Хой-Квонг Ло сосредоточится на разработке методов для смягчения последствий обнаруженных скрытых побочных каналов в квантовых источниках. При этом признается, что предлагаемые решения могут породить новые, непредвиденные проблемы. Идентификация самой уязвимости «скрытой многомерной модуляции» является первым и критически важным шагом на пути к обеспечению полной безопасности квантовых коммуникаций.
Изображение носит иллюстративный характер
Безопасность квантовой связи основана на фундаментальном свойстве квантовой механики — сопряженных состояниях, таких как положение и импульс частицы. Измерение одной сопряженной переменной неизбежно вносит возмущения в другую. При случайном выборе переменных для кодирования любое подслушивание оставляет обнаруживаемые следы. Кроме того, квантовая теорема о запрете клонирования не позволяет злоумышленнику незаметно скопировать передаваемое сообщение.
Несмотря на теоретическую защищенность, практическая реализация квантовых систем связи может содержать уязвимости. В период с 2000 по 2012 год были обнаружены побочные каналы, связанные с работой квантовых детекторов. Эти лазейки позволяли перехватывать информацию без внесения заметных возмущений, компрометируя безопасность.
В 2012 году профессор Хой-Квонг Ло и его коллеги разработали протокол, названный измерение-независимым квантовым распределением ключей (MDI-QKD). Этот протокол эффективно нейтрализует побочные каналы, связанные с детекторами квантовых частиц, значительно повысив надежность систем.
После решения проблемы с детекторами внимание исследователей, включая Амиту Гнанапандитан (работающую под совместным руководством профессоров Хой-Квонг Ло и Ли Цянь), сместилось на потенциальные уязвимости в самих источниках квантовых частиц.
Центральным элементом стала проверка «предположения о размерности». Это допущение гласит, что степень свободы, используемая для кодирования (например, оптическая поляризация фотона), не коррелирует с другими степенями свободы этого же фотона. В идеале кодирование происходит только в рамках двух сопряженных базисов поляризации, без связи с иными характеристиками частицы.
Нарушение этого предположения открывает лазейку: если такая корреляция существует, злоумышленник может измерить другую, не связанную с кодированием, степень свободы и получить информацию о закодированном параметре (например, поляризации). Это ставит под угрозу секретность передаваемого ключа. Известным примером нарушения является «эффект шаблона» (pattern effect), когда информация из предыдущих сигналов просачивается в последующие из-за корреляций между ними.
Команда из Торонто продемонстрировала (с помощью теоретических моделей и реальных квантовых источников) новый, ранее не учитывавшийся тип нарушения предположения о размерности. Оказалось, что сам процесс модуляции, используемый для кодирования информации в источнике, может изменяться во времени даже в пределах одного оптического импульса.
Исследователи осознали, что такая изменяющаяся во времени модуляция сама по себе является нарушением предположения о размерности. Для описания этого дефекта был введен термин «скрытая многомерная модуляция». Изменение кодирования во времени — лишь один из конкретных примеров этой более общей уязвимости.
Серьезность этой проблемы зависит от пропускной способности (bandwidth) используемого оборудования. Оборудование с высокой пропускной способностью позволяет генерировать модулирующие сигналы, близкие к идеальным, что потенциально смягчает проблему. И наоборот, ограниченная пропускная способность может привести к сильному искажению модулирующих импульсов, усугубляя уязвимость.
Существует альтернативный тип источника, который может быть не подвержен этой конкретной уязвимости — так называемый пассивный источник QKD. Поскольку такие источники не используют модуляторы для кодирования информации, описанные проблемы, связанные с пропускной способностью и модуляцией, к ним неприменимы.
В дальнейшем команда Хой-Квонг Ло сосредоточится на разработке методов для смягчения последствий обнаруженных скрытых побочных каналов в квантовых источниках. При этом признается, что предлагаемые решения могут породить новые, непредвиденные проблемы. Идентификация самой уязвимости «скрытой многомерной модуляции» является первым и критически важным шагом на пути к обеспечению полной безопасности квантовых коммуникаций.
