Der er en ny måde at bryde kvantekryptografi på

470906 | Unsplash

Kvantekommunikationens store løfte er perfekt privatliv: evnen til at overføre et budskab fra et punkt i universet til et andet på en sådan måde, at selve fysikkens love forhindrer en aflytning i at lytte med.

For hackere er den slags løfter som et rødt flag til en tyr. Siden de første kommercielle kvantekryptografisystemer blev tilgængelige i begyndelsen af ​​2000'erne, har folk gentagne gange forsøgt at bringe dem ned - med betydelig succes. Angrebene har hensynsløst udnyttet ufuldkommenheder i det udstyr, der bruges til at sende kvanteinformation. Derved har hackere vist, at selvom fysikkens love tilbyder perfekt sikkerhed, kan udstyr aldrig være perfekt. Og disse ufuldkommenheder skaber smuthuller, der kan udnyttes.

Kvantefysikere blev tvunget til at reagere hurtigt og udvikle nye protokoller, der ikke er afhængige af udstyr. Såkaldt enhedsuafhængig kvantekryptografi tilbyder perfekt sikkerhed, selv når udstyret ikke er perfekt. I hvert fald i teorien.

Men den skræmmende sandhed om implementering af kvantekryptografi er, at nogen, et eller andet sted, altid kan vise sig at have overset noget vigtigt. Og denne forglemmelse vil muliggøre et hack.

I dag siger Xiao-Ling Pang og kolleger ved Shanghai Jiao Tong University i Kina, at de har fundet en af ​​de oversete faktorer. Takket være den opdagelse har holdet formået at hacke enhedsuafhængig kvantekryptografi med en skræmmende høj succesrate.

Først lidt baggrund. De fleste kvantekrypteringssystemer koder information ved hjælp af fotoner. Alice sender fotonerne til Bob, som måler dem for at afsløre informationen.

Denne proces er afhængig af det faktum, at måling af en fotons kvanteegenskaber altid ændrer den information, den bærer. Så hvis nogen aflytter tuner ind, kan Alice og Bob se Evas tilstedeværelse ved de ændringer, hun introducerer til den originale besked. Hvis de finder tegn på aflytning, begynder de igen. Faktisk bliver de ved med at sende dataene igen, indtil de kan være sikre på, at ingen har overhørt dem.

Alice kan selvfølgelig ikke bruge denne teknik til at sende en privat besked, fordi det kun er muligt at opdage Eve, efter hun har lyttet med. I stedet bruger Alice den til at sende Bob en nøgle – en engangsblok – som han kan bruge at kryptere en besked og sende den over en klassisk kanal. En engangspude er beviseligt sikker, forudsat at ingen andre kender nøglen.

Forskellige cybersikkerhedsforskere har fundet måder at hacke denne form for systemer. En mangel, de har udnyttet, er, at dataene ofte er kodet i polariseringen af ​​en foton: en vertikalt polariseret foton kan kode en en og en horisontal polarisering a 0 .

Et hack er at skinne en kraftig laser ind i udstyret, så det reflekteres fra polarisatorerne indeni. Refleksionerne afslører den orientering, der bruges til at polarisere og kode de udgående fotoner. Og det afslører koden. For at imødegå dette har fysikere udviklet måder at forhindre disse refleksioner på.

Indtast Pang og kolleger, som siger, at de har fundet en helt ny måde at angribe kvantekommunikation, der ikke er afhængig af refleksioner. Den nye teknik afhænger i stedet af en effekt kaldet injektionslåsning. Dette er en metode til at ændre frekvensen af ​​en laser ved at injicere fotoner med en anden frøfrekvens i laserhulrummet. Forudsat at forskellen i frekvens er lille, resonerer laseren til sidst med frøfrekvensen.

Pang og co injicerer fotoner i Alices laser, så de ændrer udgangsfrekvensen. Men dette virker kun, hvis Pangs fotoner kan passere gennem polarisatoren ind i laserhulrummet. For at sikre, at dette sker, injicerer Pang og co fire fotoner, hver med en forskellig orientering - vandret, lodret og plus eller minus 45 grader. De venter derefter for at se, om dette ændrer frekvensen af ​​Alices udgående foton. Hvis frekvensen er ændret, så skal polariseringen af ​​den indkommende foton have matchet den udgående.

Og det afslører koden uden at måle polariseringen af ​​den udgående foton. Pang og co ændrer derefter frekvensen af ​​denne foton tilbage til den tilsigtede frekvens og sender den videre til Bob, som ikke er klogere.

Voilà! Et hack, der afslører kvanteinformationen til Eve uden Alice eller Bobs viden.

Pang og co siger, at de har testet tilgangen med bemærkelsesværdige resultater. Vi demonstrerer, at Eve kan kontrollere Alices kilde ved at tvinge hendes laserresonans ved en designet frekvens, siger de. Vi opnår en succesrate for hacking på 60,0 %.

Det er interessant arbejde, der skitserer endnu et skridt i kat-og-mus-spillet med kvantehacking.

Det næste skridt er naturligvis at finde måder at forhindre injektionslåsning på, og Pang og co har gjort de første forsøg. De siger, at en åbenlys modforanstaltning er at bruge enheder kendt som isolatorer, som tillader fotoner at rejse i den ene retning, men ikke den anden.

Disse enheder er dog på ingen måde perfekte. De tillader normalt fotoner at rejse i den ene retning, men reducerer blot det antal, der kan rejse i den anden.

Pang og co inkluderer isolatorer i deres opsætning, der reducerer transmissionen af ​​uønskede fotoner med op til 3 decibel. Dette reducerer hacking-succesraten til 36%, hvilket de beskriver som stadig betydeligt høj informationslækage.

Selvfølgelig er det ikke svært at tænke på andre måder at reducere effektiviteten af ​​denne form for angreb på. Men der er et større budskab her: at fejl i enhedsuafhængig kvantekryptografi stadig kommer frem i lyset. Hovedbudskabet, vi gerne vil levere her, er, at der kan eksistere mange andre fysiske smuthuller, siger Pang og co.

Det er et vigtigt budskab. Forskellige virksomheder tilbyder nu kommercielle kvantekrypteringstjenester med løftet om privatliv ud over det, der kan opnås med klassiske systemer. Denne form for arbejde vil sandsynligvis give dem og deres kunder nogle søvnløse nætter.

Ref: arxiv.org/abs/1902.10423 : Hacking Quantum Key Distribution via Injection Locking

skjule