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.
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.
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.
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.
Tato diplomova prace se zabýva potřebou utajovani informaci a vhodnými způsoby, jak takových cilů dosahnout. V uvodu je popsana strucna historie kryptologie, od podob jejiho prvniho využiti až po pokrocile kryptograficke postupy soucasne doby. Tato cast dale poslouži pro lepsi pochopeni principů kvantove kryptografie v dalsich kapitolach, doda kvantove kryptografii historický kontext a definuje zakladni pojmy. V nasledujicich kapitolach bliže zkouma principy samotne kvantove kryptografie. Po seznameni se již naplno věnuje aktualnim trendům v oblasti kvantove kryptografie a praktickým aplikacim ve světě i v Ceske republice. Na zavěr jsou rozebrany možnosti využiti teto velmi zajimave technologie v budoucnosti.
Tato diplomová práce se zabývá nastupující hrozbou kvantových počítačů a analýzou kvantově odolných metod pro ochranu soukromí. Obě témata jsou aktuálně hojně diskutovaná v oblasti bezpečnosti a kryptografie. Kvantové počítače představují riziko pro určité současné kryptografické systémy, proto je nezbytné analyzovat a vytvořit nové bezpečné metody, které budou této hrozbě odolávat. S rostoucí digitalizací osobních údajů se technologie chránící soukromí (PETs) stávají nezbytností, avšak jejich dosavadní realizace často spoléhají na zranitelné asymetrické algoritmy. Teoretická část práce se zaměřuje na popis kvantových počítačů, kvantových jevů a jejich dopadů na současnou kryptografii. Následně je analyzován současný stav vývoje kvantových počítačů, jsou představeny rodiny postkvantové kryptografie včetně aktuální standardizace a popsány současné metody pro ochranu soukromí uživatelů. Poté je provedeno porovnání výpočetní a paměťové náročnosti protokolů s nulovou znalostí (zk-SNARK, zk-STARK), skupinových podpisů a schémat atributové autentizace, které vycházejí z odborné literatury. Na základě tohoto porovnání byla posouzena vhodnost nasazení zmíněných metod v praxi a pro demonstraci konkrétního uživatelského scénáře byla vybrána konstrukce atributových pověření autorů Argo et al. Praktická část práce se věnuje implementaci tohoto řešení do podoby plně funkčního webového demonstrátoru. Navržená softwarová architektura kombinuje nízkoúrovňové kryptografické jádro v programovacím jazyce C s asynchronní orchestrační vrstvou v programovacím jazyce Python a interaktivním uživatelským rozhraním. Vyvinutý demonstrátor pokrývá celý životní cyklus pověření, od bezpečného vydání přes lokální zašifrované uložení až po anonymní prokázání vlastnictví atributů pomocí důkazu s nulovou znalostí. V závěru práce je provedeno výkonnostní zhodnocení demonstrátoru. Výsledky měření prokazují, že optimalizovaný postkvantový systém dosahuje latencí přijatelných pro reálné nasazení na běžných výpočetních zařízeních.