Distribuição de Chave Quântica Encontra Criptografia Pós-Quântica

Enquanto o mundo da tecnologia aguarda Últimas notícias do NIST padrões de criptografia “pós-quântica” neste verão, está em curso um esforço paralelo para também desenvolver criptosistemas que são baseados na tecnologia quântica – o que é chamado distribuição de chaves quânticas ou sistemas QKD.

Como resultado, Índia, China e uma série de organizações de tecnologia na União Europeia e Estados Unidos estão pesquisando e desenvolvendo QKD e ponderando padrões para a alternativa de criptografia nascente. E a maior questão de todas é como ou se QKD se encaixa em um sistema de criptografia robusto, confiável e totalmente à prova do futuro que acabará se tornando o padrão world para comunicações digitais seguras na década de 2030. Como em qualquer padrão de tecnologia emergente, diferentes participantes estão reivindicando diferentes tecnologias e implementações dessas tecnologias. E muitos dos grandes participantes estão buscando opções tão divergentes porque nenhuma tecnologia é uma vencedora clara no momento.

De acordo com Céu Qium analista de pesquisa da empresa sediada em Nova York Grupo Ródiohá um líder claro em pesquisa e desenvolvimento de QKD — pelo menos por enquanto. “Embora a China provavelmente tenha uma vantagem em criptografia baseada em QKD devido ao seu investimento e desenvolvimento iniciais, outros estão alcançando”, diz Qi.

Dois tipos diferentes de tecnologia “quântica segura”

No centro desses variados esforços de criptografia está a distinção entre QKD e sistemas de criptografia pós-quântica (PQC). QKD é baseado na física quântica, que sustenta que qubits emaranhados podem armazenar suas informações compartilhadas de forma tão segura que qualquer esforço para descobri-las é inevitavelmente detectável. Enviar pares de qubits de fótons emaranhados para ambas as extremidades de uma rede fornece a base para chaves criptográficas fisicamente seguras que podem bloquear pacotes de dados enviados por essa rede.

Normalmente, os sistemas de criptografia quântica são construídos em torno de fontes de fótons que emitem sinais pares de fótons emaranhados—onde o fóton A descendo um comprimento de fibra tem uma polarização que é perpendicular à polarização do fóton B indo na outra direção. Os receptores desses dois fótons realizam medições separadas que permitem que ambos os receptores saibam que eles e somente eles têm as informações compartilhadas transmitidas por esses pares de fótons. (Caso contrário, se um terceiro tivesse intervindo e medido um ou ambos os fótons primeiro, os delicados estados dos fótons teriam sido irreparavelmente alterados antes de chegar aos receptores.)

“As pessoas não podem prever teoricamente que esses algoritmos de PQC não serão quebrados um dia.” —Doug Finke, Inteligência Quântica World

Este bit compartilhado que as duas pessoas em extremidades opostas da linha têm em comum torna-se então um 0 ou 1 em uma chave secreta em desenvolvimento que os dois destinatários constroem ao compartilhar mais e mais fótons emaranhados. Construa 0s e 1s secretos compartilhados suficientes entre remetente e destinatário, e essa chave secreta pode ser usada para um tipo de criptografia forte, chamada de bloco de uso únicoque garante a transmissão segura de uma mensagem e recebimento fiel somente pelo destinatário pretendido.

Em contraste, a criptografia pós-quântica (PQC) não se baseia na física quântica, mas na matemática pura, na qual algoritmos criptográficos de última geração são projetados para rodar em computadores convencionais. E é a vasta complexidade dos algoritmos que torna os sistemas de segurança PQC praticamente inquebráveis, mesmo por um computador quântico. Então NIST—os EUA Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia—está desenvolvendo sistemas PQC padrão ouro que sustentará as redes e comunicações pós-quânticas do futuro.

O grande problema com a última abordagem, diz Doug Finke, diretor de conteúdo da empresa sediada em Nova York Inteligência Quântica Worldo PQC é apenas acreditava (sobre evidência muito, muito boa, mas não infalível) para ser inquebrável por um computador quântico totalmente desenvolvido. PQC, em outras palavras, não pode necessariamente oferecer a “segurança quântica” blindada que é prometida.

“As pessoas não podem prever teoricamente que esses algoritmos PQC não serão quebrados um dia”, diz Finke. “Por outro lado, QKD — há argumentos teóricos baseados na física quântica de que você não pode quebrar uma rede QKD.”

Dito isto, as implementações QKD do mundo actual ainda podem ser hackeavel através de canal lateralbaseado em dispositivo e outros ataques inteligentes. Além disso, o QKD também requer acesso direto a uma rede de fibra óptica de nível quântico e tecnologia de comunicações quânticas sensíveis, nenhuma das quais é exatamente comum hoje em dia. “Para coisas do dia a dia, para eu enviar minhas informações de cartão de crédito para Amazon no meu celular”, diz Finke, “não vou usar QKD”.

A liderança inicial da China no QKD está diminuindo

De acordo com Qi, a China pode ter escolhido originalmente o QKD como ponto focal do desenvolvimento de sua tecnologia quântica, em parte porque os EUA estavam não direcionando seus esforços dessa forma. “(O) foco estratégico em QKD pode ser motivado pelo desejo da China de garantir uma vantagem tecnológica única, particularmente porque os EUA lideram os esforços de PQC globalmente”, ela diz.

Em specific, ela aponta para esforços intensificados para usar uplinks e downlinks de satélite como base para o espaço livre chinês Sistemas QKD. Citando como fonte o “pai da quântica” da China, Pan JianweiQi diz: “Para atingir a cobertura world da rede quântica, a China está atualmente desenvolvendo um satélite quântico de órbita média-alta, que deve ser lançado por volta de 2026.”

Dito isto, o fator limitante em todos os sistemas QKD até o momento é sua dependência ultimate de um único fóton para representar cada qubit. Nem mesmo o mais requintadamente refinado lasers e as linhas de fibra óptica não podem escapar da vulnerabilidade dos fótons individuais.

Repetidores QKD, que replicariam cegamente o estado quântico de um único fóton, mas não vazariam nenhuma informação distintiva sobre os fótons individuais que passam por eles — o que significa que o repetidor não seria hackeado por bisbilhoteiros — não existem hoje. Mas, diz Finke, essa tecnologia é possível, embora demore pelo menos de 5 a ten anos. “Definitivamente ainda é cedo”, diz ele.

“Embora a China provavelmente tenha uma vantagem na criptografia baseada em QKD devido ao seu investimento e desenvolvimento iniciais, outros estão se atualizando.” —Ciel Qi, Grupo Rhodium

“Na China, eles têm uma rede de 2.000 quilômetros”, diz Finke. “Mas ela usa essa coisa chamada nós confiáveis. Acho que eles têm mais de 30 na rede de Pequim a Xangai. Então, talvez a cada 100 km, eles têm essa unidade que basicamente mede o sinal… e então o regenera. Mas o nó confiável você tem que localizar em uma base do exército ou algo assim. Se alguém invadir lá, eles podem hackear as comunicações.”

Entretanto, a Índia tem tentado recuperar o atraso, de acordo com Satyam Priyadarshyum consultor sênior da World Quantum Intelligence. Priyadarshy diz que a Índia Missão Quântica Nacional inclui planos para pesquisa de comunicações QKD — visando, em última instância, redes QKD conectando cidades a mais de 2.000 km de distância, bem como redes de comunicações by way of satélite de longo alcance semelhantes.

Priyadarshy aponta tanto para os esforços de investigação do governo sobre QKD — incluindo na Organização de Investigação Espacial Indiana — como para a I&D baseada em empresas privadas, incluindo a sediada em Bengaluru. cibersegurança empresa Laboratórios QuNu. Priyadarshy diz que a QuNu, por exemplo, tem trabalhado em uma estrutura hub-and-spoke chamada ChaQra para QKD.Espectro também enviou pedidos de comentários aos funcionários do Departamento de Telecomunicaçõesque não foram respondidas até o momento desta publicação.)

“Um híbrido de QKD e PQC é a solução mais provável para uma rede quântica segura.” —Satyam Priyadarshy, Inteligência Quântica World

Nos EUA e na União Europeia, esforços semelhantes em estágio inicial também estão em andamento. Contactado por Espectro IEEEfuncionários do Instituto Europeu de Normas de Telecomunicações (ETSI); o Organização Internacional de Normalização (ISO); o Comissão Eletrotécnica Internacional (CEI); e o Sociedade de Comunicações IEEE iniciativas confirmadas e grupos de trabalho que agora estão trabalhando para promover tecnologias QKD e padrões emergentes que agora estão tomando forma.

“Embora o ETSI tenha a sorte de ter especialistas numa vasta gama de tópicos relevantes, há muito a fazer”, afirma Martin Alacientista pesquisador sênior da Toshiba Laboratório de Pesquisa de Cambridge na Inglaterra, e presidente da um grupo de padrões da indústria QKD na ETSI.

Várias fontes contatadas para este artigo previram um futuro provável em que o PQC provavelmente será o padrão padrão para a maioria das comunicações seguras em um mundo de difusão computação quântica. No entanto, o PQC também não pode evitar seu potencial calcanhar de Aquiles contra algoritmos e máquinas quânticas cada vez mais poderosos. É aqui que, sugerem as fontes, o QKD poderia oferecer a perspectiva de comunicações híbridas seguras que o PQC sozinho nunca poderia fornecer.

“QKD fornece segurança de informação (teórica), enquanto PQC permite escalabilidade”, diz Priyadarshy. “Um híbrido de QKD e PQC é a solução mais provável para uma rede quântica segura.” Mas ele acrescentou que os esforços para investigar tecnologias e padrões híbridos QKD-PQC hoje são “muito limitados”.

Então, diz Finke, QKD ainda poderia ter a palavra ultimate, mesmo em um mundo onde PQC permanece preeminente. Desenvolver a tecnologia QKD simplesmente acontece, ele aponta, para também fornecer a base para uma futura Web quântica.

“É muito importante entender que QKD é, na verdade, apenas um caso de uso para uma rede quântica completa”, diz Finke.

“Há muitas aplicações, como computação quântica distribuída, information facilities quânticos e redes de sensores quânticos”, acrescenta Finke. “Então, mesmo a pesquisa que as pessoas estão fazendo agora em QKD ainda é muito, muito útil porque muita dessa mesma tecnologia pode ser aproveitada para alguns desses outros casos de uso.”