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.
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.
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.
Vývoj výkonných kvantových počítačů představuje dlouhodobou hrozbu pro asymetrické algoritmy využívané v protokolech pro registraci certifikátů, jako jsou SCEP a EST. Tato práce analyzuje, ve kterých částech uvedené protokoly spoléhají na algoritmy zranitelné vůči kvantovým útokům, zejména na RSA, ECDSA a ECDH, a navrhuje možnosti migrace založené na hybridní a postkvantové kryptografii. Pro autentizaci, prokazování vlastnictví soukromého klíče, certifikáty, žádosti o certifikát a struktury CMS jsou uvažovány kompozitní podpisy ML-DSA. Pro kvantově odolné ustanovení klíče jsou uvažovány mechanismy založené na ML-KEM. Práce dále porovnává protokoly SCEP a EST a dochází k závěru, že EST představuje vhodnější základ pro postkvantovou migraci, zejména díky povinnému bezpečnostnímu modelu založenému na TLS. Vybrané klasické a postkvantové algoritmy jsou testovány na mikrokontrolérové platformě STM32WB55RG z hlediska výkonnosti, využití paměti a komunikační režie. Součástí práce je také experimentální implementace postkvantového prototypu EST. Výsledky ukazují, že ML-KEM-512 a ML-DSA-44 jsou vhodnou volbou pro omezené klienty EST a že postkvantová registrace certifikátů pomocí EST je na Cortex-M4 STM32WB55RG proveditelná.
V první části bakalářské práce si představíme základy klasické kryptografie počínaje základní terminologií a historií kryptografie. Dále je popsané symetrické šifrování rozdělené na proudovou a blokovou šifru. Následuje popis problému distribuce klíčů a s ním související asymetrické šifrování. Konec první části je věnován bezpečnosti asymetrického šifrování a současnému vývoji postkvantové kryptografie. V druhé části jsou popsány základní vlastnosti qubitu, provázané stavy a jejich spojitost s Bellovými nerovnostmi. Dále jsou charakterizovány základní principy kvantové kryptografie a protokol BB84. Speciálně je pak zmíněna kvantová kryptografie využívající provázaných stavů a Bellových nerovností s popsáním Ekertova protokolu. Konec práce se zabývá realizací kvantové kryptografie.
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.
Přestože kvantové počítače, které mohou překonat konvenční počítače, jsou stále ve vývoji, je pro přípravu na budoucnost kvantové výpočetní techniky zásadní, abychom pokročili v porozumění a vývoji kvantových algoritmů. Tento bakalářský projekt zkoumá rozvíjející se oblast kvantového programování a simulace na aktuálně dostupných kvantových počítačích. Studujeme základy kvantového počítání a shrnujeme běžně používané principy používané v této oblasti. Teoreticky popisujeme kvantové procházky s klíčovým důrazem na varianty s diskrétním časem, které tvoří stěžejní část této práce. Dále představujeme optimalizovanou metodu pro efektivní implementaci kvantových procházek v diskrétním čase vhodnou pro současnou architekturu kvantových počítačů. Ukazujeme, že tato metoda je ve srovnání s běžnými metodami úspěšnější při zkoumání aspektů souvisejících s kvantovými procházkami, jako je dynamika šíření a dokonalý přenos stavu.