A kvantumkriptográfia a kriptográfia egy ága, mely a kvantummechanika lehetőségeit is kihasználó kriptográfiai módszerekkel foglalkozik. Az ilyen módszerek fő előnye, hogy a kvantumállapotok határozott lemásolása a kvantumfizika törvényei folytán lehetetlen (lehetetlenné téve bármilyen brute force elvű támadást), és egyúttal a kiolvasás aktusa megváltoztatja a kvantum állapotát (így a lehallgatási kísérlet azonnal le is lepleződik). Ez a klasszikus módszerekkel nem megvalósítható. A kvantumkriptográfia egyik fő témaköre a kvantumkulcsmegosztás.
Története A kvantumkriptográfia kezdete Stephen Wiesner és Gilles Brassard munkásságának tulajdonítható. Wiesner volt, a New York-i Columbia Egyetemen, aki az 1970-es évek elején bevezette a kvantumkonjugált kódolás fogalmát. Az IEEE Információelméleti Társaság elutasította "Konjugátumkódolás" című tanulmányát, amelyet végül 1983-ban publikáltak a SIGACT News-ban. Ebben a cikkben megmutatta, hogyan tárolhat vagy továbbíthat két üzenetet úgy, hogy két "konjugált megfigyelhető anyagba" kódolja őket, például fotonok lineáris és kör alakú polarizációjával, hogy valamelyik, de nem mindkettő fogadható és dekódolható. Csak akkor, amikor Charles H. Bennett, az IBM Thomas J. Watson Kutatóközpont-tól és Gilles Brassard találkozott a Puerto Rico-ban megrendezett 20. IEEE szimpóziumon, jöttek rá, hogyan lehet beépíteni Weisner eredményeit. "A fő áttörés akkor történt, amikor rájöttünk, hogy a fotonok célja nem az információ tárolása, hanem az átadása." 1984-ben, a munkára építve, Bennett és Brassard javaslatot tett a biztonságos kommunikáció módszerére, amelyet ma BB84-nek hívnak. 1991-ben Artur Ekert másfajta megközelítést dolgozott ki a kvantumkulcseloszlásra, sajátos kvantumkorrelációkon alapulva, kvantum-összefonódás néven.Ekert. A. Physical Review Letters, 67, pp. 661–663, (1991)
Subhash Kak háromlépcsős protokollja javasolja a polarizáció véletlenszerű elforgatását mindkét fél részéről. Ez a módszer elvileg használható az adatok folyamatos, megszakíthatatlan titkosításához, ha egyetlen fotont használnak. Az alapvető polarizációs forgási séma megvalósult. Ez tisztán a kvantumalapú kriptográfia módszerét képviseli a kvantumkulcsszétosztás ellen, amikor a tényleges titkosítás klasszikus.Cardinal, David (2019), Quantum Cryptography Demystified: How It Works in Plain Language. Extreme Tech, March 11.
A BB84 módszer a kvantumkulcs eloszlási módszerek alapja. Kvantumkriptográfiai rendszereket gyártó vállalatok közé tartozik a MagiQ Technologies, Inc. (Boston, Massachusetts, Egyesült Államok), ID Quantique (Genf, Svájc), QuintessenceLabs (Canberra, Ausztrália) és SeQureNet (Párizs, Franciaország).
Kvantumkulcsszétosztás A kvantumkriptográfia legismertebb és legfejlettebb alkalmazása a kvantumkulcsszétosztás (QKD), amely a kvantumkommunikáció felhasználásával megosztott kulcsot hoz létre két fél között,anélkül hogy a harmadik fél bármit tudna erről a kulcsról, még akkor is, ha a harmadik fél lehallgatja a másik két fél közötti összes kommunikációt. Ha a harmadik fél megpróbálja megismerni a létrehozandó kulcsot, akkor eltérések merülnek fel, és a másik két fél észreveszi. A kulcs létrehozása után azt általában klasszikus technikákkal titkosított kommunikációhoz használják. Például a kicserélt kulcs felhasználható szimmetrikus kriptográfiához.
A kvantumkulcseloszlás biztonsága matematikailag igazolható anélkül, hogy korlátoznák a hallgató képességeit, ami a klasszikus kulcseloszlásnál nem lehetséges. Ezt általában "feltétel nélküli biztonságnak" nevezik, bár van néhány minimális feltételezés, beleértve azt is, hogy a kvantummechanika törvényei érvényesek, és hogy a két fél képes legyen hitelesíteni egymást, azaz a harmadik félnek nem szabad képessé válnia a másik két fél megszemélyesítésére, mivel ellenkező esetben a közbeékelődéses támadás lehetséges.
Noha a kvantumkulcs eloszlás látszólag biztonságos, alkalmazásának praktikalitása kérdéses. Ennek oka az átviteli távolság és a kulcsgenerációs sebesség korlátozása. A folyamatban lévő tanulmányok és a növekvő technológia lehetővé tett további előrelépéseket ezekben a korlátozásokban. 2018-ban Lucamarini et. al. olyan rendszert javasolt, amely valószínűleg túllépheti a „sebesség-távolság korlátot”. Az ikermezős kvantumkulcselosztó rendszer azt sugallja, hogy az optimális kulcssebességek elérhetők az „550 kilométeres szabványos optikai szálon”, amelyet a mai kommunikációban gyakran használnak.
Bizalmatlan kvantumkriptográfia Bizalmatlan titkosítás során a részt vevő felek nem bíznak egymásban. Például Alice és Bob közreműködik néhány számítás elvégzésében, ahol mindkét fél megad magánbemeneteket. De Alice nem bízik meg Bobban, Bob pedig nem bízik Alice-ben. Így a kriptográfiai feladat biztonságos végrehajtása megköveteli, hogy a számítás befejezése után Alice-nek garantálható legyen, hogy Bob nem verte át, és Bob garantálhatja, hogy Alice sem verte át. A bizalmatlan kriptográfia feladataira példa a kötelezettségvállalási rendszerek és a biztonságos számítások, az utóbbi tartalmazza a pénzfeldobásnak és elhanyagolható átadásának további példáit. A kulcsszétosztás nem tartozik a bizalmatlan kriptográfia területéhez. A bizalmatlan kvantumkriptográfia a bizalmatlan kriptográfiát tanulmányozza kvantumrendszerek segítségével.
A kvantumkulcsszétosztással ellentétben, ahol a feltétlen biztonság a kvantumfizika törvényei alapján érhető el, a bizalmatlan kriptográfia különféle feladatainak esetében nincsenek olyan tételek, amelyek azt mutatják, hogy lehetetlen feltétel nélkül biztonságos protokollokat elérni, csak a kvantumfizika törvényei alapján. Ezen feladatok egy része azonban feltétel nélküli biztonsággal megvalósítható, ha a protokollok nemcsak a kvantummechanikát, hanem a speciális relativitáselméletet is kihasználják. Például MayersMayers, Dominic (1997). "Unconditionally Secure Quantum Bit Commitment is Impossible". Physical Review Letters. 78 (17): 3414–3417. arXiv:quant-ph/9605044. Bibcode:1997PhRvL..78.3414M. CiteSeerX 10.1.1.251.5550. doi:10.1103/PhysRevLett.78.3414. valamint Lo és Chau lehetetlennek bizonyította a feltétlenül biztonságos kvantumbit-elkötelezettséget. Lo és Chau feltétlenül biztonságos ideális kvantum-pénzfeldobás lehetetlenségét is bizonyította. Ezenkívül Lo megmutatta, hogy nem létezhetnek feltétel nélkül biztonságos kvantumprotokollok a kettőből egy feledékeny átvitelhez és más biztonságos két résztvevős számításokhoz. Kent azonban feltétlenül biztonságos relativisztikus protokollokat mutatott be az pénzfeldobás és a bit-elkötelezettséghez.
Kvantum-pénzfeldobás A kvantumkulcseloszlástól eltérően a kvantum-pénzfeldobás egy olyan protokoll, amelyet két olyan résztvevő között használnak, akik nem bíznak egymásban.Stuart Mason Dambort, "Heads or tails: Experimental quantum coin flipping cryptography performs better than classical protocols" , Phys.org, March 26, 2014 A résztvevők kvantumcsatornán keresztül kommunikálnak, és kvitek továbbításával információcserét folytatnak. Például, a feladó, Alice, véletlenszerűen határozza meg a kvitek sorrendjét, majd továbbítja azokat Bob-nak. Ezután Bob felismeri és rögzíti a jegyzetet. Miután Bob rögzítette az Alice által küldött jegyzetet, kitalál Alice-nek, hogy milyen alapon választotta. Alice beszámol arról, hogy Bob nyert vagy veszített -, majd továbbítja neki az egész eredeti qubit-sorozatát. Mivel a két fél nem bízik egymásban, valószínűleg csalás történhetett a folyamat bármely szakaszában.
A kvantum-pénzfeldobás elméletileg biztonságos eszköz a két bizalmatlan fél közötti kommunikációhoz, ám ezt fizikailag nehéz megvalósítani.
Kvantum elkötelezettség A kvantum-pénzfeldobáson kívül kvantum-elkötelezettség-protokollokat vezetnek be, ha bizalmatlan felek kommunikálnak. A kötelezettségvállalási rendszer lehetővé teszi egy fél, Alice számára, hogy rögzítsen egy bizonyos értéket ("elkötelezze") oly módon, hogy Alice nem tudja megváltoztatni ezt az értéket, miközben ugyanakkor biztosítja, hogy a fogadó Bob nem tudhat semmit erről az értékről, amíg Alice nem árulja el Az ilyen elkötelezettségi sémákat általában használják a kriptográfiai protokollokban (pl. kvantum-pénzfeldobás, nulla tudásbiztosság, biztonságos kétoldalú számítás és feledékeny átvitel).
A kvantumbeállításban különösen hasznosak lennének: Crépeau és Kilian megmutatták, hogy egy elkötelezettségből és kvantumcsatornából feltétel nélkül biztonságos protokollt lehet felépíteni az úgynevezett feledékeny átvitel végrehajtására.Crépeau, Claude; Joe, Kilian (1988). Achieving Oblivious Transfer Using Weakened Security Assumptions (Extended Abstract). FOCS 1988. IEEE. pp. 42–52. Ugyanakkor a nyilvánvaló transzfert Kilian bizonyította, hogy lehetővé teszi szinte minden elosztott számítás biztonságos megvalósítását (úgynevezett biztonságos többrésztvevős számítás).Kilian, Joe (1988). Founding cryptography on oblivious transfer. STOC 1988. ACM. pp. 20–31. Archived from the original on 24 December 2004. (Ne feledje, hogy itt kissé pontatlanok vagyunk: Crépeau és Kilian együttes eredményei nem közvetlenül azt sugallják, hogy egy elkötelezettség és egy kvantumcsatorna biztonságos többrésztvevős számítást végezhet. Ennek oka az, hogy az eredmények nem garantálják a „összeállíthatóságot”, vagyis ha összekapcsolják őket, elveszítheti a biztonságot.
Sajnos a korai kvantumelkötelezettség-protokollokBrassard, Gilles; Claude, Crépeau; Jozsa, Richard; Langlois, Denis (1993). A Quantum Bit Commitment Scheme Provably Unbreakable by both Parties. FOCS 1993. IEEE. pp. 362–371. hibásnak bizonyultak. Valójában Mayers megmutatta, hogy a (feltétel nélkül biztonságos) kvantumelkötelezettség lehetetlen: egy számítástechnikai szempontból korlátlan támadó bármilyen kvantumelkötelezettségi protokollt feltörhet.
Mayers eredménye azonban nem zárja ki annak lehetőségét, hogy kvantumelkötelezettség-protokollokat (és így biztonságos többrésztvevős számítási protokollokat) készítsenek olyan feltételezések mellett, amelyek sokkal gyengébbek, mint a kvantumkommunikációt nem igénylő elkötelezettség-protokollok feltételezései. Az alábbiakban ismertetett korlátozott kvantumtárolási modell példát mutat egy olyan beállításra, amelyben a kvantumkommunikáció felhasználható kötelezettségvállalási protokollok készítésére. A 2013. novemberi áttörés az információ „feltétel nélküli” biztonságát kínálja a kvantumelmélet és a relativitáselmélet felhasználásával, amelyet globális szinten első ízben sikerült bizonyítani. A közelmúltban Wang et. al javasolt egy másik kötelezettségvállalási rendszert, amelyben a "feltétlen bujkálás" tökéletes.
Korlátozott és zajos-kvantumtároló modell Feltétel nélkül biztonságos kvantumelkötelezettség és kvantumelfelejtő transzfer (OT) protokollok felépítésének egyik lehetősége a korlátos kvantumtároló modell (BQSM) használata. Ebben a modellben feltételezzük, hogy az ellenfél által tárolható kvantum adatok mennyiségét valamilyen ismert állandó Q korlátozza. Ugyanakkor a klasszikus (azaz nem kvantum) adatok mennyiségére az ellenfélnek nincs korlátozása.
A BQSM-ben elkötelezettségi és elfelejtő átadási protokollokat lehet felépíteni.Damgård, Ivan; Fehr, Serge; Salvail, Louis; Schaffner, Christian (2005). Cryptography In the Bounded Quantum-Storage Model. FOCS 2005. IEEE. pp. 449–458. arXiv:quant-ph/0508222. Az alapvető ötlet a következő: A protokoll felek nem több, mint Q kvantumbit (kvbit) cserét végeznek. Mivel még egy tisztességtelen fél sem tudja tárolni mindezt az információt (az ellenfél kvantummemóriája Q kvitekre korlátozódik), az adatok nagy részét meg kell mérni vagy el kell dobni. Ha a tisztességtelen feleket az adatok nagy részének mérésére kényszerítik, akkor a protokoll megkerüli a lehetetlenség eredményét, az elkötelezettség és a feledékeny átviteli protokollok most megvalósíthatók.