Уязвимости криптографических систем с различными протоколами квантового распределения ключа и ключевая роль биометрии в квантовой криптографии

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются возможные атаки на криптографические системы с протоколами: BB84, SARG04 BB84 (4+2), B92, DPS, COW, E91 и Decoy state QKD. Выявлен ключевой  недостаток квантовой криптографии и предложен метод его устранения посредством введения процедуры биометрической идентификации.

ABSTRACT

The article discusses the possible hacker attacks on cryptographic system the protocols: BB84, SARG04 BB84 (4+2), B92, DPS, COW, E91 и Decoy state QKD. Identified key gap quantum cryptography and proposed method of its elimination through the introduction of a procedure biometric identification.

Идея использовать квантовые обьекты для защиты информации впервые была предложена Стефаном Вейснером в 1970 году [1]. Спустя десять лет Чарльз Беннет и Жиль Брассард предложили использовать квантовые объекты для передачи секретного распределения ключей [2], а уже в 1991 году идея нашла продолжение в работах Артура Экерта [3,4]. В основе самой идеи квантового компьютера и систем квантовой криптографии лежит  квантовая теория информации [5], берущая за основу принципиальную неопределенность поведения квантовой системы, выраженную в принципе неопределенности Гейзенберга.

Неопределенность Гейзенберга позволяет достичь нового криптографического феномена, который оказывается недостижим при использовании криптографии в классическом понимании. Он гласит, что невозможно одновременно получить координаты и импульс частицы с требуемой точностью, невозможно измерить один параметр фотона, не исказив другой параметр. Тем самым, фундаментальные запреты квантовой механики на измеримость квантовых состояний позволяют реализовать секретное распределение ключей между пространственно-удаленными пользователями квантового канала. Квантовое шифрование считается самым надежным на сегодняшний день, однако абсолютно надежных систем не существует. Анализируя наиболее известные протоколы квантового распределения ключей: BB84, SARG04 BB84 (4+2), B92, DPS, COW, E91 и Decoy state QKD, основаных на квантовых принципах, можно отметить, что они все оказываются уязвимы по отношению к атакам, описанным в таблице 1.

Возможности квантовой криптографии  позволяют в большинстве случаев без проблем обнаруживать перехватывающую сторону, но тем не менее при современных скоростях прогресса с каждым годом для этого требуется больше усилий. Среди рассмотренных атак, представленных в таблице 1, наибольший интерес представляет атака с «ослеплением» лавинных  фотодетекторов [9]. Здесь перехватывающая сторона остается абсолютно не замеченной, что обусловлено определяющим недостатком квантовой криптографии – низкой точностью идентификации передающей и принимающей сторон [11]. Решить данную проблему можно посредством биометрии, путем создания автоматов, способных узнавать пространственно-удаленных пользователей квантового канала и автоматически на малом примеров их биометрических образов.

Таблица 1.

Возможные атаки на криптографические системы с протоколами квантового распределения ключа

США, Канада и страны предлагают для этой использовать нечеткие преобразователи («нечеткие экстракторы») [12], Россия, Белоруссия и Казахстан – высокоинтеллектуальные технологии (нейросетевые «биометрия-код») основе больших искусственных сетей (ИНС) [13].  Нечеткие экстракторы», как было уже показано в работах [14, 15], представляют собой вырожденные ИНС и по показателям стойкости уступают нейросетевым преобразователям «биометрия-код». Так, для извлечения информации из нечетких преобразователей, достаточно  поддерживать две ветви эволюции биометрических образов, идущих в противоположных направлениях (информация извлекается полностью при получении 3 поколения образов потомков посредством атаки, построенной на учете энтропии длинных биокодов с зависимыми разрядами). Рассматривая нейросетевые «биометрия-код», стоит отметить, что даже если ИНС будет иметь малое число входов (24 входа), то извлечь из нее информацию посредством атаки, построенной на учете энтропии длинных биокодов с зависимыми разрядами удастся только при получении 36 поколения образов потомков, такая задача приобретает высокую вычислительную сложность. Именно это обстоятельство вселяет надежду на создание эффективной высокоразмерной бионейросетевой защиты квантовых криптографических систем. Еще одним преимуществои использования больших ИНС является быстрое время их обучения – до 30 секунд. (таблица 2).

Подводя итог, можно отметить, что направления биометрической и квантовой криптографической защиты информации очень актуальны на сегодняшний день, так как квантовые законы и особенности биометрии позволяют вывести методы защиты информации на качественно новый уровень.

Таблица 2

Сравнительная характеристика высокоразмерных низкоразмерных ИНС