Регистрация / Вход
Прислать материал

Хакерская квантовая атака с "ослеплением" на систему квантовой криптографии.

Сведения об участнике
ФИО
Бакшеева Ксения Алексеевна
Вуз
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования"Московский педагогический государственный университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Оптика, квантовая электроника
Тема
Хакерская квантовая атака с "ослеплением" на систему квантовой криптографии.
Резюме
Системы распределения квантового ключа защищены от прослушивания физическими законами квантовой механики. Простое копирование квантовой информации не позволяет злоумышленнику перехватить ключ без обнаружения. Однако, используя технические несовершенства аппаратуры и особенности их работы возможно провести квантовую атаку с целью перехвата квантового ключа. В работах Макарова была разработана квантовая атака с "ослеплением" детекторов в системе квантового распределения ключа. Мы разработали контрмеры, которые могут предотвратить квантовую атаку на систему квантового распределения ключа с использованием сверхпроводникового однофотонного детектора (SSPD).
Ключевые слова
Квантовая криптография, сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SSPD), хакерская атака с "ослеплением", квантовая атака
Цели и задачи
Целью работы является повышение надежности распределения квантового ключа в системе квантовой криптографии на основе протокола BB84.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Подобрать и изучить литературу по квантовой криптографии и по хакерской атаке с "ослеплением".
2. Рассмотреть алгоритм протокола распределения квантового ключа BB84 для экспериментальной оптической установки с кодированием по фазе.
3. Рассмотреть алгоритм атаки с "ослеплением" на сверхпроводниковые однофотонные детекторы в системе квантовой криптографии.
4. Разработать метод противодействия хакерской атаке с "ослеплением".
Введение

Квантовая криптография предназначена для повышения уровня безопасности передачи информации. Система квантовой криптографии позволяет получить одноразовый квантовый ключ для шифрования сообщения при помощи квантовых обьектов (фотонов). Секретность распределения квантового ключа основывается на законах квантовой физики. Однако, недавно было обнаружено, что злоумышленник может воздействовать оптическим излучением на детекторы приемника, используя особенности их работы. В результате чего нелегитимный пользователь может перехватывать квантовый ключ и при этом оставаться не обнаруженным. Данный вид атаки называется атакой с "ослеплением". Поэтому особенно актуальным является предотвращение подобных атак. 

Методы и материалы

Для решения данной проблемы была подобрана и изучена литература по квантовой криптографии и способы проведения хакерской атаки с "ослеплением" на сверхпроводниковые однофотонные детекторы в системе квантовой криптографии (QKD-системе). В ходе изучения подобранной литературы был выявлен и рассмотрен алгоритм протокола распределения квантового ключа BB84 для экспериментальной оптической установки с кодированием по фазе, представленной на рисунке.

В данной установке в качестве однофотонных детекторов на приемном устройстве могут использоваться сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SSPD). У SSPD есть свои особенности работы, которыми может воспользоватьсязлоумышленникь для перехвата квантового ключа.

Также, в результате изучения подобранной литературы, был выявлен и рассмотрен алгоритм хакерской квантовой  атаки с «ослеплением» на сверхпроводниковые однофотонные детекторы в системе квантовой криптографии.

Описание и обсуждение результатов

Особенностью работы SSPD является то, что при подаче на него мощного оптического импульса, он переходит из сверхпроводящего состояния в резистивное. При этом детектор находится в резистивном состоянии длительное время без самопроизвольного возвращения в сверхпроводящее состояние. Такое явление называется эффектом залипания SSPD.

Для перехвата квантового ключа злоумышленику необходимо перевести SSPD в резистивное состояние, чтобы уменьшить его чувствительность до минимального уровня. Детектор не может регистрировать отдельные фотоны и работает только в болометрическом режиме, при этом амплитуда отклика детектора прямопропорциональна поглощаемой мощности. 

На рис. 2 изображена система регистрации приемного устройства QKD-системы. Поглощая оптический импульс, SSPD выдает электрический отклик. Отклик усиливается каскадом усилителей и подается на компаратор. Если амплитуда отклика превышает уровень компарации, то компаратор срабатывает и выдает TTL-импульс, идущий на счетчик импульсов. При регистрации импульса счетчиком формируется бит квантового ключа, значение которого зависит от того, какой детектор сработал. Если амплитуда отклика меньше уровня компарации, то компаратор не срабатывает и отклик не регистрируется. 

Подавая на "ослепленный" детектор короткие оптические импульсы большой мощности, злоумышленник может управлять системой регистрации и формировать квантовый ключ. Для этого он перехватывает передаваемые фотоны и измеряет их состояния в двух неортогональных базисах, прикладывая сдвиг фаз 0 или п/2. А затем отправляет на приемник оптические импульсы, приготовленные в наблюдаемом базисе. Приемник измеряет состояния импульсов, прикладывая сдвиг фаз. Если разница между сдвигами фаз равна 0, то большая часть мощности направится в детектор D0, и он сработает (рис.3 а). Если же разница равна п, то мощность регистрируется детектором D1(рис.3 в). В случае когда разница равна п/2, мощность делится поровну, и детекторы не срабатывают (рис.3 б).

Однако, если вернуть детектор из резистивного состояния в сверхпроводящее, то мы можем предотвратить атаку с "ослеплением". Для этого была разработана и реализована система автосброса (рис.4).

Данная система состоит из ключа, сопротивления 10 Ом и вольтметра. При ослеплении детектора его температура достигает критической, и детектор переходит в резистивное состояние. При этом его сопротивление резко возрастает до 1-2 МОм. Напряжение на контактах детектора становится выше порогового значения, ключ замыкется, и весь ток течет через сопротивление. Разогрев детектора прекращается, охлаждение становится эффективным, и его температура опускается до рабочей точки 2 К.

При срабатывании системы автосброса посылается сигнал о возможной попытке проведения хакерской атаки. Таким образом использование системы автосброса позволяет повысить надежность и криптостойкость работы всей системы.

Используемые источники
1. С.Я. Килин, Д.Б. Хорошко, А.П. Низовцев, Квантовая криптография: идеи и практика, Москва (2007)
2. Ю.В. Курочкин, Методы повышения пропускной способности квантовой криптографии, Москва (2011)
3. А.В. Тимофеев, Д.И. Помозов, А.П. Маккавеев, С.Н. Молотков, ЖЭТФ 131, 771 (2007)
4. L. Lydersen, M.K. Akhlaghi, A.H. Majedi, J. Skaar and V. Makarov, NJP, 13, 113042 (2011)
5. L. Lydersen, C. Wiechers, Ch. Wittmann, D. Elser, J.Skaar and V. Makarov, LNature, 4 (October 2010)
6. M.G. Tanner, V. Makarov, and R.H. Hadfield, Optic Express, 22, 6 (2014)
Information about the project
Surname Name
Baksheeva Kseniya
Project title
Hacker quantum "blinding"attack to the system of quantum cryptography
Summary of the project
Quantum key distribution systems are protected from listening by the physical laws of quantum mechanics. Simply copying quantum information does not allow an attacker to intercept a key without detection. However, using the technical imperfections of the equipment make it possible to carry out quantum attack to intercept a quantum key. In Makarov's works was developed a quantum attack with "blinding" detector in the quantum key distribution system. We developed countermeasures that can prevent an attack on a quantum system of quantum key distribution using superconducting single-photon detector (SSPD).
Keywords
Quantum cryptography, superconducting single-photon detectors (SSPD), hacker attack with "blinding", quantum attack