Kvantova mechanika poskytuje velmi silne nastroje ke tvorbě protokolů na distribuci klice. Kvantove protokoly na distribuci klice (QKD) jsou prokazatelně a bezpodminecně bezpecne, a jsou navic i dostatecně jednoduche, aby se daly realizovat pomoci soucasne technologie. Tato prace studuje vliv slabe nahodnosti na jeden z nejznamějsich a nejběžnějsich QKD protokolů – BB84. Výsledky ukazuji, že protokol je citlivý na kvalitu nahodnosti, ktera je k dispozici během běhu protokolu. Pokud je utocnikovy umožněn přistup ke zdrojům nahodnosti, pak může vhodným zasahem porusit bezpecnost protokolu a tedy i výsledneho klice.
Kvantova mechanika poskytuje velmi silne nastroje ke tvorbě protokolů na distribuci klice. Kvantove protokoly na distribuci klice (QKD) jsou prokazatelně a bezpodminecně bezpecne, a jsou navic i dostatecně jednoduche, aby se daly realizovat pomoci soucasne technologie. Tato prace studuje vliv slabe nahodnosti na jeden z nejznamějsich a nejběžnějsich QKD protokolů – BB84. Výsledky ukazuji, že protokol je citlivý na kvalitu nahodnosti, ktera je k dispozici během běhu protokolu. Pokud je utocnikovy umožněn přistup ke zdrojům nahodnosti, pak může vhodným zasahem porusit bezpecnost protokolu a tedy i výsledneho klice.
V práci se zaměřuji na problematiku bezpečné distribuce klíče mezi komunikačními stranami s využitím zákonů kvantové mechaniky. Tento přístup umožňuje stranám kromě samotné distribuce klíče i metody, jak detekovat odposlech třetí strany na kvantovém kanále. V práci představuji základní koncepty kvantového počítání a protokoly BB84, B92 a E91, které kvantovou distribuci klíče umožňují. Ve vytvořeném řešení poskytuji způsob, jak se vypořádat s chybovým kvantovým kanálem pomocí lineárních kódů. U každého protokolu uvádím způsob možného odposlechu i prostředky, jak lze odposlech detekovat. Na základě zjištěných údajů vytvářím srovnání protokolů na komunikační a bezpečnostní úrovni. Na závěr práce tato srovnání potvrzuji pomocí výsledků simulací protokolů.
Kvantová distribuce klíče umožňuje zajistit bezpečnou výměnu kryptografických klíčů mezi dvěma stranami, a to využitím principů kvantové informace. Tato práce se zaměřuje nejdříve na popis optické komunikace a následně přechází ke zkoumání kvantové komunikace, konkrétně kvantové distribuce klíče. Praktická část se zabývá implementací kvantové distribuce klíče na příkladě protokolu BB84. Tato část byla provedena na zařízení qutools quED, které je způsobilé ke generování a analýze provázaných fotonových párů. Byla námi uskutečněna měření s různým nastavením zařízení, výsledky jsme analyzovali z hlediska spolehlivosti detekce a úrovně bezpečnosti. Tento experiment ukázal vysokou míru bezpečnosti při různých konfiguracích systému a prokázal, že kvantová distribuce klíče není jenom teoreticky možná, ale i prakticky realizovatelná.
Tato bakalářská práce se zabývá kvantovou distribucí klíče (QKD) a analýzou možných útoků na QKD protokoly. Cílem práce bylo simulovat a experimentálně realizovat vybraný protokol a také nějaký kvantový útok na jeho realizaci, konkrétně se jednalo o protokol BBM92. Práce zahrnuje jak úvod do kvantových sítí, tak detailní popis QKD protokolů a to včetně BB84, E91 a BBM92. Dále také zahrnuje analýzu kvantových útoků jako například PNS a jejich možné detekce. Praktická část obsahuje popis námi realizovaného typu útoku. Zahrnuje také už zmíněné simulace a experimentální realizaci BBM92 a útoku na něj, které potvrzují hypotézy o vlivu útoků na hodnoty QBERu, což odpovídá možné detekci útočníka. V praktické části je také podle výsledků této práce řešeno možné využití QKD v praxi. Výsledky simulací a experimentů jsou detailně diskutovány a porovnávány.
Distribuce klíčů slouží jako základní kámen bezpečné komunikace v dnešní digitální době. Vývoj rozsáhlých kvantových počítačů však představuje existenční hrozbu pro matematické předpoklady složitosti, na nichž jsou založeny v současnosti nasazené asymetrické protokoly, jako je RSA, Diffie-Hellman nebo Diffie-Hellman na eliptických křivkách (ECDH). Tato práce poskytuje komplexní analýzu přechodu na kvantově bezpečnou (quantum-safe) komunikaci. Zkoumá matematický přístup postkvantové kryptografie, detailně popisuje základy nově standardizovaného algoritmu ML-KEM, stejně jako fyzikální přístup v podobě kvantové distribuce klíčů (QKD). Dále práce představuje návrh a implementaci interaktivního webového výukového nástroje. Tento nástroj provádí uživatele celým životním cyklem navázání zabezpečeného kanálu a nabízí vizualizace i interaktivní simulace, jejichž cílem je zpřístupnit složité koncepty klasické a kvantově bezpečné kryptografie širšímu publiku.
Limitujícím faktorem dnešního šifrování je neschopnost bezchybně detekovat odposlouchávání, a proto všechny šifrovací algoritmy s tím musí počítat. Pro distribuci šifrovacího klíče se dnes používá asymetrické šifrování založené na problému diskrétního logaritmu nebo faktorizaci prvočísel. Nové technologie, jako je nově se objevující oblast kvantových počítačů, však nabízejí algoritmy, které mohou efektivně vyřešit tyto úlohy, a tedy případně prolomit dnešní šifrování. Navíc by to mohlo ovlivnit všechna šifrovaná data, tedy nejen po vynálezu kvantového počítače schopného spouštět Shorův algoritmus, ale také všechna dříve uložená šifrovaná data. Kvantová distribuce klíčů umožňuji detekci odposlechu za pomocí zákonů kvantové mechaniky a umožňuje tak zcela bezpečně distribuovat symetrický klíč mezi dvě strany. Tato práce prezentuje simulaci, experimentální realizaci a testování systému kvantové distribuce klíče (QKD) založeného na protokolu BB84 s využitím časového a fázového kódování. Hlavním cílem bylo sestavit praktické optické zařízení schopné demonstrovat principy QKD na úrovni jednotlivých fotonů. Bylo vyvinuto plně integrované zařízení, které se skládá ze dvou asymetrických Mach-Zehnderových interferometrů rozdělených do sekcí Alice a Bob, propojených optickým vláknem, kvantovým kanálem. Mikropočítač Red Pitaya STEMlab 125-14 byl využit pro ovládání systému, generování laserových pulsů, aplikaci fázové modulace a provádění detekce fotonů. Na jednotlivých komponentách bylo provedeno testování a kalibrace pro optimalizaci systému. Klasická interference dosáhla viditelnosti 45,66\%, což se blíží teoretickému maximu 50\%. Kvantové měření na úrovni jednotlivých fotonů dosáhlo viditelnosti 32,60\%, což demonstruje úspěšnou interferenci a schopnost kódovat informace na jednotlivé fotony. Simulace pokrývá celý proces QKD, od generování kvantových stavů Alice, přenosu přes simulovaný kvantový kanál s šumem a ztrátami, měření Bobem a následnými postprocesingovými fázemi, včetně filtrování klíčů, odhadu chyb, korekce chyb, zesílení soukromí klíče a autentizace klíče. Provedeny byly rozsáhlé analýzy pro hodnocení dopadu různých zdrojů šumu a scénářů odposlechu na kvantovou chybovost bitů (QBER) a finální délku klíče.
Nahodnosť je veľmi hodnotný zdroj v mnohých oblastiach modernej vedy. Typicky, vo vacsine aplikacii je vyžadovana dokonala nahodnosť -- uniformne distribuovane bity nezavisle od akýchkoľvek iných dat. Tento predoklad je casto využivaný pri analýze algoritmov a protokolov. Nanesťastie, je veľmi zložite dokazať už len fakt, že akýkoľvek zdroj nahodnosti je dostatocne nepredvidateľný. Požiadavka uniformnej distribucie sa v tomto svetle zda takmer nemožna. V dosledku týchto uvah je doležite zistiť, ci sa daju v aplikaciach efektivne použivať slabe zdroje nahodnosti -- neuniformne nahodne procesy ciastocne nezavisle od vonkajsich dat. Tento problem bol dokladne prestudovaný v klasickom spracovani informacie. Trochu prekvapivo, až donedavna existovalo veľmi malo srudii dopadu slabej nahodnosti na kvantove spracovanie informacie. V troch hlavných kapitolach tejto prace sa venujeme trom roznym temam prepojeným spolocnou temou slabej nahodnosti v kvantovom spracovani informacie. V kapitole 3 ukazujeme, že sifrovanie klasických sprav do qbitov zvysuje bezpecnosť kryptosystemu v pripade, že tajný kľuc použitý v symetrickom sifrovani je iba slabo nahodný. Toto je v silnom kontraste s klasickými siframi, kde nie je možna žiadna bezpecnosť ani s relativne silnými zdrojmi nahodnosti. V sirsom zmysle tento výsledok ukazuje, že kvantove zdroje možu pomocť pri klasických ulohach implementovaných pomocou nedokonalej nahodnosti. V kapitole 4, naopak ukazujeme negativny výsledok. Predstavujeme v nej utok na protokol kvantoveho zdieľania kľuca, ktorý využiva slabu nahodnosť v jednej faze protokolu. Takýto utok vyžaduje iba veľmi malý vplyv utocnika na generator nahodných cisel použitý na implementaciu protokolu. Piata kapitola ide trochu iným smerom. Ukazujeme v nej, ako sa da extrahovať dokonala nahodnosť so slabeho zdroja za pomoci kvantových zariadeni. Navyse, protokol je tzv. nezavislý na zariadeniach -- nepotrebujeme poznať presnu specifikaciu zariadeni. Toto je zaujimavý výsledok, pretože uloha extrahovania dokonalej nahodnosti s jedneho zdroj aslabej nahodnosti je v klasickom pripade nemožna.