การกระจายคีย์ควอนตัม

Quantum Key Distribution (QKD) เป็นคลาสของโปรโตคอลที่ใช้กลไกควอนตัมโดยตรงเพื่อสร้างคีย์ที่ใช้ร่วมกันระหว่างสองฝ่าย ตัวอย่างที่ถูกอ้างถึงมากที่สุดคือ BB84 ซึ่งเสนอโดย Charles Bennett และ Gilles Brassard ในปี 1984 ระบบ QKD สมัยใหม่ถูกปรับใช้ในบางสถานการณ์เฉพาะ การเข้ารหัสกระแสหลักได้สรุปไว้เป็นส่วนใหญ่ว่าการเข้ารหัสหลังควอนตัม (PQC) เป็นเส้นทางที่ดีกว่าในการป้องกันภัยคุกคามในยุคควอนตัม

แนวคิดพื้นฐาน

BB84 ใช้โฟตอนเดี่ยวโพลาไรซ์ในหนึ่งในสี่สถานะที่เป็นไปได้ (แทนสองฐาน โดยแต่ละค่ามีสองค่า) ผู้ส่งส่งโฟตอน ผู้รับจะวัดพวกมันในฐานที่เลือกแบบสุ่ม คุณสมบัติหลักสองประการของกลศาสตร์ควอนตัมทำให้สิ่งนี้มีประโยชน์:

• ทฤษฎีบทที่ไม่มีการโคลนนิ่ง ไม่สามารถคัดลอกสถานะควอนตัมได้อย่างสมบูรณ์แบบ ผู้ดักฟังไม่สามารถสกัดกั้นและส่งซ้ำได้โดยไม่รบกวนรัฐ
• การรบกวนในการวัด การวัดสถานะควอนตัมในรูปแบบ "ผิด" จะสุ่มผลลัพธ์และรบกวนสถานะ สามารถตรวจจับการรบกวนได้

โปรโตคอลจะแลกเปลี่ยนโฟตอนบางส่วน เผยให้เห็นฐานที่ใช้ (ผ่านช่องสัญญาณคลาสสิกสาธารณะ) และเปรียบเทียบผลลัพธ์สำหรับความสอดคล้องในการวัด หากอัตราข้อผิดพลาดต่ำกว่าเกณฑ์ บิตที่เหลือจะเป็นความลับที่ใช้ร่วมกัน หากเกินกว่าเกณฑ์ที่กำหนด มีแนวโน้มว่ามีคนดักฟังอยู่และกุญแจจะถูกทิ้งไป

โดยที่ QKD ชนะ

คำกล่าวอ้างทางการตลาด: ความปลอดภัยของข้อมูลตามทฤษฎี คีย์ที่ใช้ร่วมกันมีความปลอดภัยทางคณิตศาสตร์จากศัตรูด้านการคำนวณ รวมถึงคอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคต ไม่มีข้อสันนิษฐานเกี่ยวกับความแข็งของการเข้ารหัส

สิ่งนี้เป็นจริงภายในขีดจำกัดของการใช้งาน QKD เป็นเทคนิคการเข้ารหัสเพียงวิธีเดียวที่ให้ความปลอดภัยโดยยึดหลักฟิสิกส์มากกว่าคณิตศาสตร์ สำหรับการใช้งานที่สมมติฐานทางการคำนวณไม่สามารถยอมรับได้ (หน่วยข่าวกรองระดับประเทศที่มีเดิมพันสูงสุด) QKD น่าดึงดูด

ในกรณีที่ QKD ประสบปัญหาในทางปฏิบัติ

• ต้องใช้ฮาร์ดแวร์พิเศษ แหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยว ตัวตรวจจับ และไฟเบอร์ออปติกเฉพาะ ค่าใช้จ่ายหลายหมื่นดอลลาร์ต่อตำแหน่งข้อมูล
• ระยะทางจำกัด หากไม่มีตัวทำซ้ำควอนตัม (ซึ่งยังไม่มีเป็นฮาร์ดแวร์ที่ปรับใช้ได้) ระยะทางจะถูกจำกัดไว้ที่สองสามร้อยกิโลเมตรบนไฟเบอร์ การทดลองดาวเทียม QKD แสดงให้เห็นช่วงที่ยาวกว่า แต่ต้องใช้โครงสร้างพื้นฐานด้านพื้นที่
• แบบจุดต่อจุดเท่านั้น ไม่มีการกำหนดเส้นทางทั่วไป แต่ละลิงค์ QKD อยู่ระหว่างจุดปลายเฉพาะสองจุด การปรับขนาดเป็นเครือข่ายต้องใช้โหนดกลางที่เชื่อถือได้ซึ่งจะถอดรหัสและเข้ารหัสใหม่
• ยังจำเป็นต้องมีการตรวจสอบสิทธิ์ QKD สร้างความลับที่ใช้ร่วมกัน แต่ไม่ได้ตรวจสอบความถูกต้องของฝ่ายต่างๆ หากไม่มีการตรวจสอบสิทธิ์ปลายทาง QKD แบบคลาสสิก คนที่อยู่ตรงกลางที่ใช้งานอยู่จะเอาชนะมันได้ การรับรองความถูกต้องจำเป็นต้องมีการแชร์ความลับล่วงหน้าหรือการโจมตีแบบ PKI.
• Implementation แบบคลาสสิก ฟิสิกส์มีความมั่นคง ฝ่ายวิศวกรรมมีการโจมตีช่องทางด้านข้างหลายครั้ง การโจมตีแบบ Blinding ของเครื่องตรวจจับ การแยกโฟตอนและจำนวน การโจมตีแบบ Time-Shift — การวิจัยทางวิชาการได้แสดงให้เห็นซ้ำแล้วซ้ำเล่าว่าระบบ QKD จริงมีข้อมูลรั่วไหล
• Key อัตราต่ำ บิตต่อวินาที ไม่ใช่กิกะบิต มีประโยชน์สำหรับการรีเฟรชคีย์เป็นระยะ ไม่ใช่สำหรับการเข้ารหัสจำนวนมาก

คำตัดสินของชุมชนการเข้ารหัส

NSA, GCHQ และนักเข้ารหัสทางวิชาการส่วนใหญ่ได้แนะนำการเข้ารหัสหลังควอนตัมอย่างชัดเจนผ่าน QKD สำหรับการใช้งานทั่วไป เหตุผล:

• PQC ทำงานบนโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่โดยมีการเปลี่ยนแปลงซอฟต์แวร์
• PQC ปรับขนาดตามกรณีการใช้งานแบบอินเทอร์เน็ต ความปลอดภัยของ
• PQC ขึ้นอยู่กับสมมติฐานทางคณิตศาสตร์ที่ดูแข็งแกร่ง
• QKD ความปลอดภัยของข้อมูลตามทฤษฎีจะใช้กับขั้นตอนการสร้างคีย์เท่านั้น ไม่ใช่กับ ระบบโดยรวม
• QKD จำเป็นต้องแก้ไขการตรวจสอบสิทธิ์ ซึ่งหมายถึง PKI ซึ่งหมายถึง PQC

อัลกอริทึม PQC ที่เป็นมาตรฐาน (ML-KEM, ML-DSA) ที่ใช้งานใน TLS, Signal และที่อื่นๆ ถือเป็นคำตอบหลักสำหรับภัยคุกคามควอนตัม ดูบทความการเข้ารหัส quantum.

ในกรณีที่ QKD ถูกใช้งานจริง

• ลิงก์ธนาคาร — ธนาคารสวิสบางแห่งใช้ QKD บนไฟเบอร์เฉพาะสำหรับธุรกรรมที่มีมูลค่าสูง ทำหน้าที่เป็นผู้สาธิตการวิจัยมากกว่าความปลอดภัยเชิงปฏิบัติ
• ลิงก์ของรัฐบาล — ดาวเทียม QUESS ของจีน (Micius) ได้สาธิต QKD ในระยะทางหลายร้อยถึงหลายพันกิโลเมตรผ่าน ดาวเทียม
• แอปพลิเคชันการป้องกันแบบจุดต่อจุดเฉพาะ — ลิงก์ทางยุทธวิธีระยะสั้นที่ทราบจุดปลายทั้งสอง
• เครือข่ายการวิจัย — ห้องทดสอบในยุโรป สหรัฐอเมริกา เอเชียเพื่อสำรวจความสามารถในการปรับขนาด

การใช้งาน QKD เชิงพาณิชย์ทั่วโลกทั้งหมดมีขนาดเล็ก ตลาดสำหรับผู้จำหน่าย QKD (ID Quantique, MagiQ, Toshiba และอื่นๆ) นั้นมีอยู่จริงแต่มีความเชี่ยวชาญ

เครือข่ายควอนตัมและอนาคต

วิสัยทัศน์ระยะยาวของ "อินเทอร์เน็ตควอนตัม" — เครือข่ายที่สามารถกำหนดเส้นทางข้อมูลควอนตัมระหว่างจุดสิ้นสุดที่กำหนดเอง — จะต้องมีตัวทำซ้ำควอนตัม (อุปกรณ์ที่ขยายสถานะควอนตัมโดยไม่ต้องวัด) สิ่งเหล่านี้ยังไม่มีเป็นฮาร์ดแวร์ที่ปรับใช้ได้ ความคืบหน้าการวิจัยช้าแต่ดำเนินไปอย่างต่อเนื่อง

หากเครือข่ายควอนตัมเติบโตเต็มที่ QKD จะมีประโยชน์ในทางปฏิบัติมากขึ้น ถึงกระนั้น การรักษาความปลอดภัยแบบไฮบริด (PQC + QKD) ก็มีแนวโน้มมากกว่าการปรับใช้ QKD เพียงอย่างเดียว ชุมชนการเข้ารหัสได้ตัดสินโดยใช้แนวทางแบบเลเยอร์นี้