cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la...

Cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la criptografía actual

Verónica Fernández MármolInstituto de Seguridad de la Información (ISI)

[email protected]

http://www.ifa.csic.es/

Índice• Amenaza del ordenador cuántico a la

criptografía actual• Solución? Criptografía cuántica

• Cómo funciona: • Protocolos

• Sistemas experimentales y comerciales

• Nuestro sistema

Criptografía simétricao

clave secreta

Una sola clave

Debe mantenerse en secreto

ejemplo paradigmático

¿Es seguro DES?

¿Por qué no?

Fuerza bruta

Longitud

128 a 256 bits

Son muy rápidos

Discos duros

Base de datos

Audio y vídeo

Comunicaciones de red

Cifran cantidades grandes

Cifrar

Clave

DescifrarClaro ClaroCifrado

¿Cómo distribuir la clave?

A B

Criptografía asimétricao

clave pública

Diffie y Hellman (1976)

claves: pública y privada

Clave pública

la conoce todo el mundo

Clave privada

sólo la conoce una persona

Cifrar

Clave

púb

DescifrarClaro ClaroCifrado

Clave

priv

bits de longitud mínima

Son muy lentos

Cifran cantidades pequeñas

Claves secretas

Cifrar

Clave

púb

Descifrar

Clave

priv

Ks KsEKpub(Ks)

Clave pública

N = p*qe, primo con (p-1)*(q-1)

Clave privada

d, tal que d*e mod (p-1)(q-1) = 1

Cifrado

c = me mod N

Descifrado

m = cd mod N

Cifradoc = me mod N = 73 mod 33 = 343 mod 33=13

EjemploClave pública N = p*qe, primo con (p-1)*(q-1)

Clave privadad, tal que d*e mod (p-1)(q-1) = 1d*3 mod 20 = 1

p=11, q=3, N=33e=3 (primo con 20),

d=7

Descifradom = cd mod N = 137 mod 33 = 7

(21 mod 20 =1)

¿Es seguro RSA?

¿En qué se basa su fortaleza?

Problema de la factorización

¿Factores de 15?

¿Factores de 391?

17 x 23

Último reto RSA640 bits en 5 meses en 80 PCs

¿Cuánto se tarda en hacer operaciones

matemáticas?

Sumar dos números de N bits

Tiempo lineal: O(N)

Multiplicar dos números de N bits

Tiempo cuadrático: O(N2)

Factorizar un número de N bits

Tiempo exponencial: O(eN)

No se ha probado que RSA sea seguro

Problema difícil, pero ¿imposible?

Ordenadores cuánticos

¿Podrán resolver en tiempo polinómico

problemas intratables?

¿Cómo funcionan los ordenadores?

Puertas lógicas

NOT

AND

ORXOR

NAND

entrada salida

Suma de dos bits

+ 0 10 00 011 01 10

Suma = x XOR y

Acarreo = x AND y

xy

suma

acarreo

¿Pueden usarse estados cuánticos?

Bit 0:

Bit 1:

0

1

Bit 0:

Bit 1:

0

1Qubits

Pueden existir como una superposición de estados

Superposición

0 1

Gato de Schrödinger

hυ 1

0hυ

hυ

122 ba

Esfera de Bloch

x

y

z|0>

|1>

Ninguna medida revela el estado original de un

qubit desconocido

No pueden obtenerse a y b

Entradas: )10(2

1

Superposición de estados

Computación clásica

Computación cuántica

)1()0(10 fbfabaf

La función f se evalúa para ambos valores a

la vez

0+00+11+01+1

Salida: superposición de todas las posibles

respuestas

La medida obtendrá un resultado aleatorio

¿Cómo obtener resultados útiles?

Las puertas lógicas anteriores no sirven

con estados cuánticos

AND, OR, XOR son irreversibles

Pérdida de información

En mecánica cuántica no es posible perder información sin medir

Puertas cuánticas reversibles

Mismo nº de entradas y salidas

Control 1 Cambia el blanco

Control 0 No cambia el blanco

Cualquier función se puede realizar a partir de puertas CNOT y puertas

de qubits individuales

92

1011111001010000

Control: )10(2

1

Blanco: 0

Entrada

)1000(2

10)10(2

1

Superposición de: 00

21

102

1

112

1002

1

)1000(2

1

CNOT

)1100(2

1

Entrelazado cuántico

No pueden expresarse como producto de dos estados individuales

Medir el estado de una partícula determina el

estado de la otra

)1100(2

1

Puerta Hadamard

)10(2

11

)10(2

10

H

H

Control: )10(2

1

Blanco: )10(2

1

)10(2

1)10(2

1

CNOT

)11100100(21

)10110100(21

)10(2

1)10(2

1

No hay entrelazado

Resultado definido de la medida

estado en superposición

estado definido

CNOT

Importantes aplicaciones

Juego mentalCNOT rota

Control desconectado

1111101001010000

Control loco

1011111000010100

Una sola medida por puerta

¿Cómo encontrar la CNOT buena?

Las combinaciones clásicas no funcionan

CNOT desconectada

)11100100(21

)11100100(21

)10(2

1)10(2

1

CNOT loca

)11100100(21

)10110001(21

)10(2

1)10(2

1

CNOT

)11100100(21

)10110100(21

)10(2

1)10(2

1

)10(2

1)10(2

1

)10(2

1)10(2

1

)10(2

1)10(2

1 )10(

21)10(

21

Resultado definido ycomputación en paralelo

ordenador clásico1011 0101

ordenador cuántico

0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111

0100111100100011000101010110110110000111101010111100100100001110

Problemabúsqueda en la guía

telefónica

N/2 búsquedas en promedio

¿Puede ayudar la mecánica cuántica?

Algoritmo de Grover

0 X1 R2 P3 A

contrario casoen ,0)(Pa ecorrespondsi,1)(

xfxxf

1)2( f

Superposición de todas las x posibles

11,10,01,00

)10(2

1)10(2

1

112110

2101

2100

21

1/2 1/2 1/2 1/2|00> |01> |10> |11>

1/2 1/2

‐1/2

1/21/4

1

Inversión sobre la media l*=m-(l-m)=2m-l

Ordenador cuántico

si f(x)=1, invierte la fase

probabilidad de encontrar la respuesta

correcta

4 qubits

…|0010>…

1/4

1/4

‐1/4

7/32

3/16

11/16


correcta

3/16

11/16

3/16

‐11/16

17/128

5/64

61/64


correcta

¿Cuántas iteraciones para 100%?

Guía telefónica con 1 millón de nombres

días con algoritmos clásicos

minutos con algoritmo de Grover

Impacto en criptografía

Búsqueda exhaustiva de claves

Amenaza a la criptografía simétrica

¿Qué pasa con la asimétrica?

Problema de la factorización

Tiempo exponencial

¿Puede acelerarse cuánticamente?

Algoritmo de Shor

Transformada de Fourier

1, 2, 3, 4, 1, 2, 3, 4, 1, 2, 3, 4, …

periodo = 4

71=7, 72=49, 73=343, 74=2401, 75=16807, 76=117649, 77=823453, …

mod 15

7, 4, 13, 1, 7, 4, 13, …

Exponenciación modular

ax mod N

Si la periodicidad es par se pueden calcular

los factores de N

m.c.d (aq/2 + 1, N)

m.c.d (aq/2 – 1, N)

Ejemploa=7, N=15, q=4,

¿factores?

m.c.d (74/2 - 1=40, 15)=315 = 3 x 5

m.c.d (aq/2 + 1, N)m.c.d (74/2 + 1=50, 15)=5

m.c.d (aq/2 -1, N)

Los circuitos lógicos cuánticos son rápidos

buscando periodicidades

Paso 1Registro de 2c > N estados

superpuestos

|00…000> + |00…001> + |00…010> +…+ |11…110> + |11…111>

Paso 2Registro de c qubits a |0>

000000

Paso 3Elegir un número a < N al azar y

primo con N

ax mod N

|0>|0>+|1>|0>+|2>|0>+|3>|0>+|4>|0>+|5>|0>+|6>|0>+…1er registro2º registro

N=15a=7

|0>|1>+|1>|7>+|2>|4>+|3>|13>+|4>|1>+|5>|7>+|6>|4>+…

Medida en 2º registro

|1>|7>+|5>|7>+|9>|7>+|13>|7>+…

Transformada Fourier

período = 4

Tiempo polinómico

¿El fin de la criptografía clásica?

Cifrado de Vernam

Secreto perfecto

1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 00 0 1 0 1 1 0 0 0 1 01 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0

Matemáticamente 100% seguro …

… si se utiliza una sola vez

21

21

21

21

)()()()(

mmkkmmkmkm

ee

… y si la clave es 100% aleatoria

¿Cómo generar claves aleatorias?

Transmisión cuántica de claves





• Nuestro sistema

El único método de transmitir claves

criptográficas en el que la presencia de un intruso es

detectada

Basada en las leyes de la Física Cuántica

Principio de Incertidumbre de Heisenberg

Heisenberg

2x p

Alice quiere mandar una secuencia aleatoria a Bob

1101000110010110Secuencia aleatoria

Alice utiliza aleatoriamente las bases:

Rectilínea Circular

Bases

ALICE

Protocolo BB84

1101000110010110Secuencia aleatoriaBases

Alice utiliza uno de los cuatro posibles estados de polarización para codificar sus estados

0 1 0 1

Polarización

Protocolo BB84

ALICE


Polarización

Alice manda su secuencia de fotones aleatoriamente codificados a

BobBOB

Protocolo BB84

ALICE


Polarización

BOB

No todos los fotones que manda Alice son recibidos por Bob. Algunos se pierden como consecuencia de la

absorción del canal cuántico

Protocolo BB84

ALICE


Polarización

BOB

Bob utiliza la base circular o rectilinea de forma aleatoria para medir los fotones recibidosRectilínea Circular

Protocolo BB84

ALICE

O divisor por polarización (PBS)

Prisma de Wollaston

0 1 PBSPBS

Detector 0

Detecta ‘0’ con 100% de probabilidad

Protocolo BB84

Detector 1

Detecta ‘1’ con 100% probabilidad

Detector 0

Base rectilínea Base rectilínea

Detector 1

0 1PBS

Protocolo BB84

‘0’ o ‘1’ con 50% probabilidad

PBS

Detector 0

Detector 1

Detector 0

Detector 1

Base rectilínea Base rectilínea

Incertidumbre2

x p

0 1 PBSPBS/4 /4

Protocolo BB84

‘0’ con 100% probabilidad ‘1’ with 100% probabilidad

Detector 0

Detector 1

Detector 0

Detector 1

Base circular Base circular

0 1PBSPBS/4 /4

Protocolo BB84

Detector 0

Detector 1

Detector 0

Detector 1

‘0’ o ‘1’ con 50% probabilidad

Base circular Base circular

Incertidumbre2

x p

• 4 tipos de medidas:+

• 2 deterministas:+

+• 2 ambiguas:

+

Protocolo BB84


Bases

Polarización

BOB

Por cada fotón recibido Bob mide aleatoriamente con la base rectilínea o circularRectilínea Circular

Protocolo BB84

ALICE


Bases

Polarización

BOB

Bases

Protocolo BB84

ALICE


Bases

BOB

Polarizción

Bases

000011101100

Protocolo BB84

ALICE


Bases

BOB

Bases

000011101100

Protocolo BB84

ALICE


Bases

BOB

Bases

000011101100

Alice y Bob comparan las bases a través de un canal público

Protocolo BB84

ALICE

00011010

00011001

01

1110

1

01

0


BOB

Bases

Alice y Bob desechan los bits que en los que no han utilizado la misma base

Protocolo BB84

ALICE Bases

00011010

00011


BOB

Bases

Protocolo BB84

ALICE Bases

Y en los que Bob no midió ningún fotón

00011010

00011010

BOB

Bases

Secuencia aleatoria

Bases

Protocolo BB84

ALICE

00011010

00011 010

BOB

0 1 0 1 1 0 0 0Alice y Bob nunca revelan el valor del bit en su

discusión

Protocolo BB84

ALICE

Dejando una secuencia común final

• Dos partes: Alice (emisor) & Bob (receptor)• Dos canales de comunicación: cuántico y clásico • Canal cuántico utiliza fotones individuales• Canal clásico discusión post procesamiento• Utiliza bases no ortogonales• Imposible distinción determinista Principio de Incertidumbre de

Heisenberg

Descarta los siguientes bits

Canal cuántico

Canal clásico público

Resumen QKD

Fotones individuales

Discusión post procesamiento

Bob(Receptor)

Alice(Emisor)

Las copias no están permitidas en el mundo

cuántico

hυ

hυ

hυ

Canal cuántico

Canal clásico cuántico

¿Qué pasa si espían el canal?

Alice(Emisor)

Bob(Receiver)

¿Pueden Alice y Bob detectar la presencia de un intruso en el canal cuántico?

SíUn intruso introducirá un error detectable

por Alice y Bob

Eve

Un espía introducirá un error del 25%

Ataque interceptado y reenvío

Alice(Emisor)

Bob(Receptor)

Eve

El ataque más simple

Un intruso tiene solo el 50% de detectar correctamente cada fotón

50%Probabilidad 50%

Probabilidad

Bob sólo tiene un 50 por ciento de detectar correctamente cada fotón

Error que introduce un intruso

Alice Eve Bob Medidas que se quedan

Error que introduce Eve

(½+½)/4 = 25%

0

1/2

1/2

0

• Dos partes: Alice (emisor) & Bob (receptor)• Dos canales de comunicación: cuántico y clásico • Canal cuántico utiliza fotones individuales• Canal clásico discusión post procesamiento• Utiliza bases no ortogonales• Imposible distinción determinista Principio de Incertidumbre de

Heisenberg• Detección de un espía!

Discard the following bits

Canal cuántico

Canal clásico público

Resumen QKD

Fotones individuales

Discusión post procesamiento

Bob(Receptor)

Alice(Emisor)

• Dos estados no ortogonales(Bennett 1992)

• Codificados en polarización o fase

• Polarización a 0 representa el estado a “0”; polarización a 45

representa “1”

‘1’‘0’ 45°

0°

90°

180°

270°

Polarización

Protocolo B92

Protocolo de Ekert (BBM92)

Entrelazado cuántico

BobAlice

A BArthur Ekert

• Generación de pares de fotones entrelazados

Protocolo de Ekert

• Idealmente fuente de fotones individuales• Tecnología todavía por madurar

• Baja eficiencia• Temperaturas criogénicas

• Weak coherent pulses (WCP) (pulsos de láser atenuados)

Emisión de fotones individuales

en

nPn

!),(

Stadística de Poisson

<0.5% pulsos con más de un fotón

90% pulsos vacíos

Micropilar de 2m de diametro

µ~0.1

Emisión de fotones individuales

• Capaces de operar a alta frecuencia (GHz)

• Facilidad de integración y bajo coste

• Bajas intensidades umbral• Baja spectral linewidth

VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)

230

Detección de fotones individuales

ip+ n+p

Absorción Ganancia

Zona absorción

Zona multiplicación

hυ

Fotodiodo de avalancha o APD

La zona de multiplicación se introduce para obtener ganancia

APD tipo

‘reach-through’

231


Ec

Ev

hυ

p nE p nEc

Ev

Ionización por impacto

Un electrón con suficiente energía cinética es capaz de originar una avalancha autosuficiente


1.E-04

1.E-121.E-111.E-101.E-091.E-081.E-071.E-061.E-05

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Inverse Voltage (V)

curr

ent (

A)

Dark current

Photocurrent

avalanche breakdown voltage

El voltaje necesario para que ocurra la avalancha como resultado de un único fotón se denomina voltaje de ruptura de avalancha

SPAD (single photon avalanche diode)

Fujitsu APD

Detectores de fotones individuales

superconductores

Canal de transmisiónFibra óptica

Atenuación en fibra óptica

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

800 1000 1200 1400 1600 1800W avelength (nm )

Attenuation(dB/km)

λ~850nm λ~1300nm λ~1550nm

Consecuencia de No cloning

hυ

hυ

hυ

No se pueden utilizar amplificadores ópticos

Trabajar a altas frecuencias reloj

237

Detectores disponibles

• Alta eficiencia• Bajas cuentas oscuras• ‘Afterpulsing’

despreciable

Altas frecuencias reloj

Si SPADs (λ~850nm)

SPAD comercial de Si de Perkin Elmer

Detectores disponibles

• Buena eficiencia

• Altas cuentas oscuras

• ‘Afterpulsing’ dominante

Ge and InGaAs SPADs (λ~1300nm λ~1550nm)

Bajas frecuencias reloj

n+-InP Substrate

n-InP Buffer Layer

n--InGaAs Absorption Layer

n--InGaAsP Graded Region

n-InP Charge Sheet

i-InP Multiplication Layer

Floating Guard Ring

Floating Guard Ring p+ - Zinc Diffusion

SiNx

Au

=1.55µm

SPAD (InGaAs/InP)

INCORRECT

INCORRECT CORRECT

NQBERN N

• Factores que afectan el QBER: Cuentas oscuras en los detectores de fotones individuales Timing jitter de la fuente láser y detectores Contribuciones de luz no deseadas Distancia de transmisión Un intruso!

Quantum Bit Error Rate





• Nuestro sistema

241

Sistemas con cifrado en polarización

A. Muller et. al, “Quantum cryptography over 23km in installed under-lake telecom fibre”, Europhysics Letters, 33, Page 335-339 (1996) (λ~1300 nm)

• 1996, transmisión a 23km

• λ~1300nm

• 1 MHz clock

• Ge detectors

• 3.4% error

Sistemas con cifrado en fase

‘0’: 0, π/2‘1’: π, 3π/2

0, π/2Alice Bob

ΦA-ΦB = πI0=0,I1= I

Bob recibe un ‘1’

I0=I, I1=0 Bob recibe un ‘0’

ΦA-ΦB = 0

ΦA-ΦB = π/2I0=I/2,I1=I/2 Bob recibe?ØA/B

243

• Sistemas de doble interferómetro más estables


LDAPDs

Coupler Short (S1) Short (S2)

Long (L1) Long (L2)ALICE BOBTransmission

channel


• Detectores superconductores de fotones individuales (SSPD)

• Clock frequency 10 GHz

• 12bits/s over 200 km fibre

H. Takesue, S. W. Nam, Q. Zhang, R.H. Hadfield, T. Honjo, K. Tamaki and Y. Yamamoto, “Quantum key distribution over a 40-dB channel loss using superconducting single-photon detectors”, Nature Photonics 1, 343, (2007).

• 2007, record mundial en fibra óptica

Tanto los sistemas con cifrado en polarización como en fase requieren

compensación activa

246

Sistemas plug and play

PMA

PMB

Long arm

Short arm

Phase modulators

LD

ALICE BOBQuantumchannel

Faraday mirror Laser

diode

D1 APD’sP1

P2

P1 P2

StorageLine

coupler

attenuator PBS

PC

PC

A. Muller et al. “‘Plug and Play’ systems for quantum cryptography”, Applied Physics Letters, 70, Page 793-795 (1997)

• 2002, distancia 67 km

247

Sistemas plug and play

• Primer producto comercial

•λ~ 1550 nm

D. Stucki et al, “Quantum key distribution over 67 km with a plug and play system”, New Journal of Physics, 4, Page 41.1 - 41.8 (2002)

Canal de transmisiónAire

249

Espacio libre como canal transmisión

Atmósfera no birefrigente y no dispersiva

250

Espacio libre como canal transmisión

Comunicación global segura a través de satélite

Alice Bob

Atenuación en aire

λ~850nm

λ~1550nm

252

Free space QKD systems

• 2007, transmision de claves cuánticas a 144 km

T. Schmitt-Manderbach et al. “Experimental demonstration of free-space decoy-state quantum key distribution over 144 km”, Physical Review Letters, vol. 98, 010504, 2007

• λ~850 nm • AutomaticTracking

• GPS synchronization Clock 10MHz

• key rate ~12.8 bits-1


Receiver (ESA OGS) (Tenerife)

Transmitter (Nordic Optical Telescope)

(La Palma)

• MagiQ (USA)• Idquantique (Suiza)• NEC (Japón)

Sistemas que utilizan fibra óptica y ~ 1550nm. Hasta 100km de transmisión segura Pero baja velocidad

IdQuantique 1 kbits-1

MagicQ 256 bits-1

Se utiliza con cifrado AES Gigabit Ethernet, SONET/SDH (hasta 10Gbps) y ATM (622Mbps).

¿Sistemas comerciales?

¿Es segura la criptografía cuántica en la vida real?

Sí, pero…Side-channel attacks

Quantum hacking

Primer quantum hacker

Caracterización minuciosa de posibles loopholes de

un sistema

Device-independent quantum cryptography

Antonio Acín, ICFO, Barcelona





• Nuestro sistema


• QKD en espacio libre

• Orientada a largas distancias (satélite)

• Baja transmisión

Sistemas de espacio libre en ciudad

Escenarios urbanos menos explorados

• Ventajas Mayor flexibilidad de instalación

(Portabilidad) Menor coste (licencias) Ideal para comunicación segura

entre edificios gubernamentales, financieros o militares en ciudad

Más difíciles de espiar

• Inconvenientesx Aerosol urbano: mas absorcion y

turbulencias

Emisor: Alice

Sistema gimbal para Alice

Base Motor

Lateral Motor

Precisión de radians

o Sincronización óptica a diferente longitud de onda (1550 nm)

o Láser de sincronización: VCSEL monomodo a 1550nm diseñado para

aplicacionesde comunicaciones a alta velocidad.

Alto BW bajo timing jitter bajo QBER

o Detector sincronizado: InGaAs APD

Low‐light‐level detection, large active area (0.2mm)

and high‐speed response (0.9 GHz)

SincronizaciónTsync

SPAD1

SPAD0

APD Clk-in

TIA

Canal 1

Canal 0

VCSEL1

Laser 1550nm

PPGtrigger

output

output VCSEL0

. . .

. . .

. . .

Tsync

λ~ 850nm

Generador de patrón de pulsos

Analizador de tiempos

VCSEL sync

λ~1550nm

λ~850nm

Receptor: Bob

Lente

Filter850nm

Dicroic filter

Plate BS

xyz

SPDTelescopio

SPD

APD

Optical fibre

Optical fibre

xyz

Polarizers

λ~1550nm

0 1

ch1

ch0

λ/4 λ/4

λ/2

APD: avalanche photodiodeSPD: single photon detector

10MHz clock

Canal ´1´s

Canal ´0´s

Desde Alice

Tests a 40 m (QBERs 2%-6% diurnos, 1.5% nocturnos)1.1 Mbit/s a 1 GHz de frecuencia reloj con un QBER de 2%.

1.5 Mbits a 1.5 GHz con un QBER de 3%.

Bob

Desde Bob

Alice

Conclusiones• Ordenador cuántico grave amenaza

para la criptografía actual• Solución criptografía cuántica• Análisis de seguridad de los

sistemas reales• Mejorar velocidad sistemas reales

para hacerlos más competitivos

cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la...

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