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.
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.
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.
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.
Pokroky v kvantovém počítání nás nutí zkoumat a implementovat nové metody ke klasické kryptografii s veřejným klíčem. Jednou z alternativ je kromě postkvantové kryptografie takzvaná kvantová distribuce klíče. Tato technika je spojena s budováním speciálních sítí schopných distribuovat sdílený klíč mezi libovolné dvě komunikující strany. Nejprve vysvětlíme bezpečnostní důsledky, které kvantové počítače představují pro dnes široce používané algoritmy asymetrické kryptografie. Jako řešení, kterým se budeme dále zabývat, jsou sítě pro kvantovou distribuci klíče. Je zmíněno několik reálných implementací a následně detailně popsána architektura s důrazem na bezpečnost. Je vysvětlena podstata informační bezpečnosti a provedena bezpečnostní analýza kvantových sítí. Její součástí je navržený bezpečnostní profil pro systém pro správu klíčů v kvantových sítích, napsaný podle specifikace Common Criteria. Dále navrhujeme techniky pro zvýšení bezpečnosti v obleastech: (i) doručení klíče k uživateli, (ii) posílení bezpečnosti klíče a (iii) propojení sítí. Nakonec vyvineme metodologii pro vývoj, implementaci a provozování kvantových sítí tak, aby mohla být aplikována na tyto nové sítě.
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.
Kvantové sítě jsou komunikačním prostředkem nové generace. Rozmach kvantových technologií umožňuje využití neklasických jevů jako kvantová superpozice, kvantové provázání a interference v komunikačních a kryptografických protokolech. Příkladem takového protokolu je kvantová distribuce klíče, která zajišťuje vytvoření a distribuci náhodného šifrovacího klíče mezi dvěma komunikačními uzly. Samotný termín kvantová síť znamená tři různé věci. První jsou aktivní kvantové sítě používající prvky jako opakovače nebo kvantová paměť, druhá pasivní optické kvantové sítě složené z děličů paprsku a posunovačů fáze a třetí představuje abstraktní matematický model založený na Hamiltoniánu, který lze charakterizovat grafem. V této práci popíšeme všechny tři pojmy, přičemž se soustředíme zejména na třetí zmíněný význam tohoto pojmu. V rámci zmíněného Hamiltoniánového modelu detailně zkoumáme tzv. efekt uvěznění kvantové excitace v jediném módu nebo v malém počtu módů. Efekt uvěznění zkoumáme jak pro kvantovou síť charakterizovanou úplným grafem, tak i pro grafy, kde nějaká hrana může chybět. Nepřítomnost hrany zkoumáme jak ve statickém případě, kdy hrana chybí permanentně, tak i v případě stochastického chování v čase, kdy se hrana přerušuje a opět znovuobjevuje.