Natália
-3 °C
7 °C

Fényből kulcs

2001.06.28. 12:01
Az ember néha titkosítani vágyik, néha pedig - háborús helyzetben vagy online strandpapucs vásárláskor - titkosítania kell. A nyilvános csatornán kódolt kommunikációt lehetővé tevő nyílt kulcsú titkosítás legutóbbi vívmányai elméletben kijátszhatóak, de mai ismereteink alapján gyakorlatilag törhetetlenek. A kvantumtitkosítás törhetetlenségét azonban - elméletben és gyakorlatban - a fizika törvényei garantálják.
1917. január 22-én az Amerikai Egyesült Államok belépett az első világháborúba. Cypherpunk körökben úgy tartják, hogy mindez nem a német tengeralattjárók által elsüllyesztett nagy mennyiségű amerikai hajó miatt következett be, hanem mert sikerült megfejteni a Zimmerman Note néven ismert kódolt üzenetet. A Zimmerman-üzenetben Németország néhány kellemes amerikai államot ajánlott fel Mexikónak, háborús erőfeszítései támogatása fejében.

A kódolás és kódtörés későbbi háborúkban is döntő szerepet játszott - a kvantumkriptográfia azért kezdődik mégis ennél az epizódnál, mert az üzenet megfejtésével egy időben fejlesztették ki az első törhetetlen titkosítási eljárást. Az AT&T szakértője, Gilbert S. Vernam és az amerikai hadsereg híradó egységének őrnagya, Joseph O'Mauborane által kidolgozott módszert Vernam-féle véletlen átkulcsolásként vagy egyszerűbben "egyszer használatos kódtáblaként" (one time pad) vált ismertté.

Egy a Che Guevara szatyrában talált kódtáblák közül
Törhetetlen
A Vernam-kódolás nem bonyolult, viszont annál macerásabb. A feladó a kódolni kívánt üzenet betűit számokká konvertálja, majd a számsort összeadja az egyszer használatos kódtáblán szereplő azonos hosszúságú véletlen számsorral. A véletlen számokat tartalmazó kódtáblából mindössze két példány készül: az egyiket a feladó használja titkosításhoz, a másikat a címzett használja a megfejtéshez. Az egyszer használatos kódtáblával sifrírozott üzenet önmagában törhetetlen: mivel a véletlen számok ismeretlenek (alapszabály: a kódtáblát egyszeri használat után meg kell semmisíteni) bármelyik betű lehet bármi; az üzenet potenciálisan bármi lehet a zagyvaságtól az értelmes baromságig.

A Vernam-kódolás legnagyobb hátránya, hogy a feladónak (például kémnek) pontosan annyi kódtáblát kell magával hordania, ahány üzenetet küldeni kíván - mindeközben ügyelnie kell arra, hogy ezek semmilyen körülmények között ne kerüljenek idegen kezekbe (a fejlövés és a halál között mozizásra fordított időt például, kellemetlen módon, a kódtáblák elégetésével kell töltenie). Az eljárás így meglehetősen körülményes, a lapok az őserdőben szétáznak, a sivatagban megeszik a tevék.

Két kulcsos gyerekek

A nyílt kulcsú titkosítás elméletét a hetvenes évek közepén a Stanford egyetem három matematikusa - Whitfield Diffie, Martin E. Hellman és Ralph C. Merkle - dolgozta ki. Az elméletet 1977-ben a az MIT-n Ronald L. Rivest, Adi Shamir és Leonard M. Adleman valósította meg a gyakorlatban - az általuk kifejlesztett kulcsformátum nevük alapján az RSA nevet kapta. A jelenleg legelterjedtebb titkosító program, a Pretty Good Privacy (PGP) két kulcsformátumot használ: a Diffie-Hellman/DSS (digital signature standard) és az RSA-formátumot.

A nyílt kulcsú titkosításnál az egyszer használatos kódtáblával szemben a kommunikáció résztvevői nem használnak közös kulcsot - a kulcsokat nyílt csatornán is ki lehet cserélni (igen, ezek a nyílt kulcsok). Az elmélet a következő: Andrea és Balázs privát üzengetésre vágyik. Andrea a megfelelő szoftverrrel egy kulcspárt generál. Ez egyik kulcs kódolásra való a másik pedig megfejtésre. Figyelem! a rafkós rész itt következik: a nyílt kulcs az, amelyik zár (vagyis kódol). A titkos kulcs, amelyet minden áron titokban kell tartani az, amelyik a visszafejtéshez szükséges. Andrea átküldi a nyílt kulcsot Balázsnak, aki kedves szavakkal teli üzenetét Andrea kulcsával kódolja - aki végül titkos kulcsával dekódolja azt, majd álmatagon néz.

Fotonpárbaj

Különös tény: a kvantumfizikai elven alapuló kulcscserét évekkel a nyílt kulcsú titkosítás elméletének kidolgozása előtt, 1970-ben Stephen J. Wiesner találta fel a Columbia egyetemen. Wiesner "Konjugált Kódolás" című dolgozatát a szakfolyóirat visszadobta, és nem is publikálták 1983-ig.

A kvantumkriptográfia nem csak hagyományos csatornákat használ - a titkosításhoz használt kulcs adatait polarizált fotonok hordozzák. Egy foton polarizáltságát a részecske forgásának iránya határozza meg. A megfelelő polarizáltságú részecskéket szűrőkkel lehet előállítani, illetve - érzékeléshez - kiválasztani. A foton 0, 45, 90, 135 fokos szögben foroghat - a szűrő polarizáltsága lehet vízszintes (ez átereszti a 0, 90 fokos pörgésű fotonokat) vagy átlós (45, 135 fokos pörgésű fotonokhoz).

Kvantumkriptográfia a gyakorlatban
A kommunikáció kezdetén Andrea átküld Balázsnak egy csomó bájtot polarizált fotonok formájában. Balázs, véletlenszerűen váltogatva a szűrőket, felfogja ezeket, majd felhívja telefonon Andreát, és elmondja neki, hogy mikor mért vízszintes, mikor átlós állású szűrővel. Andrea cserében elmondja neki, hogy mikor mért megfelelő állású szűrővel.

Bájtokká alakítva legyen a 45 fokos foton 0, a 135 fokos foton 1. Balázs azt mondja, átlós szűrővel figyelt, Andrea azt mondja, ez talált. A beszélgetésből ugyanakkor nem derül ki, hogy Andrea voltaképpen 45 fokos fotont küldött, vagyis az eredmény 0.

A kvantumüzenet lehallgathatatlanságát a Heisenberg-féle határozatlansági reláció garantálja. Ha például László megpróbálja Balázzsal egy időben mérni Andrea üzenetét, akkor elkerülhetetlenül végez hibás méréseket a véletlenszerűen beállított szűrőkkel - amennyiben ravaszul a méréseinek megfelelő polarizáltságú fotonokat azonnal tovább küldi, Balázs mérésének eredményessége feleződik. Ezt pedig a telefonos egyeztetés során a nagy hibaszázalékból észreveszi a két fél.

Amennyiben László a telefonos beszélgetést lehallgatva próbálja kisakkozni a kulcsot, egybájtos kulcs esetén 256 lehetősége van, egykilobájtos kulcs esetén pedig talán 256 az ezrediken, de ha nem pont ennyi, akkor is iszonyatosan sok. A kvantumkapcsolatból származó kulcs egy Vernam-típusú egykulcsos kódolást tesz lehetővé.

Távoli villanás

A Los Alamos-i állami kutatólabortóriumban Richard Hughes és egy csomó fizikus azon dolgozik, hogy a kvantumkriptográfia a gyakorlatban is megvalósulhasson. A problémát elsősorban a környezet jelenti, amely igen hamar szétzúzza az amúgy is döglékeny fotonokat. A kvantumkriptográfia távolsági rekordja optikai kábelben negyvennyolc kilométer.

Hughesék azonban a Föld és egy műhold között szeretnének kvantumkapcsolatot létrehozni. Hogy ezt megtegyék, először lézer segítségével a felszínen szabad ég alatt kell egy sikeres kapcsolatot létrehozniuk tíz kilométer távolságból. Amikor sikerrel járnak, létrejön a lehallgathatatlan és törhetetlen kriptó.

Ha már erre járok beugrom

..tényleg ez történt, Palau és Mikronézia szigeteit járva úgy döntöttem, hogy Saipanra is átugrom.

Visszatérés a paradicsomba

Egy újabb kaland előszobájába léptünk, mikor kis kocsink megindult Christchurch felé.