Kvantová kryptografia

          Kvantovú kryptografiu mnohí spájajú s kvantovým počítačom, ale tá má s ním spoločný akurát názov. Kvantová kryptografia sa už v súčasnosti používa a to aj napriek tomu, že kvantový počítač ešte nebol zostrojený. Je teda úplne nezávislá na kvantovom počítači. Ak by chceli dve osoby spolu súkromne komunikovať a ako šifrovací systém by si vybrali kvantovú kryptografiu, ich komunikácia by vyzerala nasledovne:

          Informácia sa prenáša v podobe najmenších častí svetla - fotónov. Každý fotón vibruje a môže byť rôzne natočený. Pre jednoduchosť predpokladajme, že môže mať jednu z týchto štyroch orientácií:


          Orientácie a budú reprezentovať 1 a orientácie a budú reprezentovať 0. Informácie prenášané pomocou fotónou napr. cez jednomódový optický kábel sa dajú odchytávať. Káždým nahliadnutím na orientáciu fotónu môže dôjsť k zmene jeho orientácie. Jediným spôsobom ako zistiť orientáciu fotónu je skúšať použiť detektory. Použitie zlého detektora môže zmeniť orientáciu fotónu, a tým zmeniť napr. 1 na 0 a naopak. To spôsobí, že príjemca (Bob) sa dozvie, že správa bola odchytená. To, že sa to príjemca dozvie, nezabráni zneužitiu obsahu, v prípade uspešnej interpretácie fotónov. Z toho vyplýva, že kvantová kryptografia nie je vhodná na prenos správ, ale skvelo poslúži na prenos šifrovacích kľúčov. Samotný kľúč bez správy nemá pre narušiteľa (Evu) žiadny význam. Alica a Bob môžu na šifrovanie použiť nerozluštiteľnú šifru. Za nerozluštiteľnú šifru sa pokladá Vernamova šifra. Jej nerozluštiteľnosť je matematicky dokázaná. Najprv sa vygeneruje náhodný kľúč rovnakej dĺžky ako správa. Kľúč je tvorený binárnymi číslicami. Správa sa tiež prevedie na sled jedničiek a núl. Správu spolu s kľúčom pomocou funkcie xor pretransformujeme na výsledný binárny šifrový text.

správa	0	1	1	1	0	0	1	0	1
kľúč	0	1	0	0	1	0	1	1	0
šifra	0	0	1	1	1	0	0	1	1

          Pre jednoduchosť môžeme nahradiť binárne čísla obyčajnými písmenami. Kľúč bude tvorený číslami od 1 do 26. Každé číslo kľúča bude naznačovať posun znaku v abecede:

správa	I	D	E	M	D	O	M	O	V
kľúč	5	7	1	13	2	17	4	8	14
šifra	N	K	F	Z	F	F	Q	W	J

          Prenos kľúče začína vysielaním fotónov od Alice k Bobovi. Alica pri tom vie ako sú fotóny orientované. Posiela fotóny cez dva rôzne filtre. Jeden z nich je v tvare písmena x a druhý vyzerá ako znamienko +. Cez x-filter prejdú fotóny orientované ako a a cez plus-filter prejdú fotóny orientované ako a . Bob požíva dva druhy detektorov (x-detektor a plus-detektor). Na prichádzajúce fotóny skúša používať jednotlivé detektory. Ak použije plus-detektor na fotón orientovaný diagonálne ( alebo ), nastane jedna z dvoch možností. Buď bude fotón zablokovaný alebo zmení svojú orientáciu a Bob môže fotón interpretovať správne, ale aj nesprávne. Ak použije plus-detektor na alebo fotón, tak interpretuje fotón vždy správne, pretože aj fotón, aj fotón prejdú bez problémov cez detektor a nezmenia svoju orientáciu. Potom ako si Alica a Bob vymenia dostatočné množstvo fotónov, potrebujú ešte skontrolovať, či Bob interpretoval dostatočné množstvo fotónov správne. To sa môže udiať obyčajnou nezabezpečenou telefónnou linkou. Alica povie Bobovi, na ktorý fotón použila aký filter a Bob povie Alici, na ktorý fotón použil správny detektor. Ak sa v niekoľkých prípadoch Bob pomýlil, mohol zmeniť orientáciu fotónu a tým pádom ho zle interpretovať. Všetky fotóny, na ktoré Bob použil zle orientovaný detektor sa jednoducho odstránia z kľúča. Ak by Eva odchytávala fotóny, dostala by sa do tej istej situácie ako Bob, ale s tou nevýhodou, že možno polovicu fotónov interpretovala zle. Navyše ak použije správny detektor a Bob nie, hodnota, ktorú reprezentuje fotón nebude aj tak súčasťou kľúča. Aj keď Eve znalosť malej časti kľúča nepomôže, Alica a Bob si aj napriek tomu môžu overiť, či Eva neodchytávala fotóny. Ak Alica a Bob použijú rovnaký filter / detektor, Eva môže použiť zlý, zmeniť orientáciu fotónu a následne aj Bob môže zmeniť orientáciu (z fotónu sa stane použitím Evinho dektora fotón a použitím Bobovho detektora sa fotón zmení na fotón. Bob síce použije rovnaký detektor ako Alica, a teda hodnota, ktorú fotón reprezentuje bude súčasťou kľúča, ale fotón interpretuje opačne ako má.). Alica teda vyberie náhodne asi 7% číslic z celého kľúča a prečíta ich Bobovi. Ak Bob odsúhlasí všetky, odstránia ich obaja z kľúča a môže začať bezpečne komunikovať. Ak sa preukáže zmena, tak je isté, že niekto odchytával fotóny a tým zmenil ich orientáciu. V takom prípade sa kľúč zahodí a začne tvorba nového kľúča. Pravdepodobnosť, že sa to nepreukáže na týchto 7% je menšia ako jedna k miliónu. Alica a Bob môžu spolu pokojne komunikovať. Jedinou nevýhodou kvantovej kryptografie je čas. Častokrát tvorba kľúča trvá dlho, ale to závisí od použitej technológie.

Vernamova šifrara   Zdojový kód