Engångsplatta återuppfunnen för att göra elektronisk kopiering omöjlig

Engångsblock är kryptografins heliga graal – de är omöjliga att knäcka, även i princip.

De fungerar genom att lägga till en uppsättning slumpmässiga siffror i ett meddelande och därigenom skapa en chiffertext som ser slumpmässig ut för alla avlyssnare. Mottagaren avkodar meddelandet genom att ta bort samma uppsättning slumpmässiga siffror för att avslöja det ursprungliga meddelandet.

Säkerheten i denna process beror på två faktorer. Den första är slumpmässigheten hos siffrorna som utgör engångsblocket. Om denna nyckel verkligen är slumpmässig, erbjuder den ingenting som avlyssnaren kan använda för att bryta koden. Även om det finns några potentiella fallgropar, är slumpmässiga siffror ganska enkla att generera nuförtiden.

Den andra faktorn är möjligheten att hålla denna nyckel hemlig så att endast sändaren och mottagaren har tillgång till den. Det är mycket svårare att säkerställa.

Digital kommunikation i form av 0 s och ett s gör kopiering trivialt. Närhelst en uppsättning slumpmässiga siffror lagras i ett elektroniskt minne, finns det alltid en liten men begränsad chans att den snabbt kan kopieras och stjälas.

Idag säger Roarke Horstmeyer vid California Institute of Technology i Pasadena och några kompisar att de har löst det här problemet. Deras lösning är baserad på en speciell typ av engångsblock som genererar en slumpmässig nyckel genom komplexiteten i dess fysiska struktur.

Istället för att skapa och lagra engångsblocket som en slumpmässig sekvens av 0 s och ett s genererar Horstmeyer och co en slumpmässig signal genom att passera ljus genom en platta av spridande glas som sprider det slumpmässigt.

Systemets säkerhet beror på glasets fysiska komplexitet. Horstmeyer och co säger att denna komplexitet innebär att det inte finns något sätt för en avlyssnare, Eve, att kopiera glaset utan att någon märker det.

Det eliminerar behovet av att lagra nyckeln elektroniskt och tar helt bort denna sårbarhet för kopiering. Vi beskriver en krypterad kommunikationsprincip som kan bilda en perfekt säker länk mellan två parter utan att elektroniskt spara någon av deras nycklar, säger de

Och även om Eve stjäl glaset, uppskattar de att det skulle ta henne minst 24 timmar att utvinna relevant information om dess struktur.

Denna extraktion kan endast göras genom att passera ljus genom glaset med en hastighet som begränsas av mängden värme som detta skapar (eftersom all uppvärmning förändrar materialets mikrostruktur). Och den tid detta tar bör ge ägarna tillräckligt med tid att inse vad som har hänt och vidta nödvändiga förmildrande åtgärder.

Protokollet för att skicka hemliga meddelanden mellan Alice och Bob, säg, är enkelt. Till att börja med måste både Alice och Bob ha sina egna plattor av spridande glas och måste fysiskt mötas för att skapa en nyckel för att koda ett meddelande senare.

De skapar detta genom att skicka samma slumpmässiga ljusmönster genom sina spridande plattor och sedan lägga till resultaten för att skapa en kombinerad nyckel.

De publicerar sedan denna kombinerade nyckel och mönstret som användes för att skapa den.

För att skicka ett meddelande skickar Alice mönstret genom sin platta för att generera hennes hälften av nyckeln och lägger sedan till det i sitt meddelande. Hon kan nu skicka detta utan rädsla för att Eva kan avkoda det.

Det är viktigt att komma ihåg att Alices slumpmässiga nyckel är en del av den allmänt tillgängliga. Men Eve kan inte använda den allmänt tillgängliga nyckeln för att ta reda på vad Alices nyckel är.

Bob måste gå igenom en något annorlunda uppsättning steg för att avkoda denna cyphertext. Först, efter att ha fått cyfertexten, lägger han till den i den allmänt tillgängliga kombinerade nyckeln.

Därefter återskapar han sin egen komponent av den allmänt tillgängliga nyckeln genom att skicka det allmänt tillgängliga mönstret genom sin platta. Han lägger sedan till detta till resultatet av föregående steg för att avslöja meddelandet.

Så länge som båda spridande plattorna fysiskt hålls av Alice och Bob, kan cyphertexten inte avkodas av Eva.

Naturligtvis kan denna process endast användas en gång. Men Alice och Bob kan generera en enorm mängd kombinerade nycklar genom att skicka olika slumpmässiga mönster genom sina plattor när de möts.

Horstmeyer och co har testat sin idé med en rumslig ljusmodulator för att skapa slumpmässiga mönster som de sedan passerar genom opalt spridande glas för att generera cirka 10 gigabits slumpmässighet. De använde sedan detta för att skicka helt säkra meddelanden, och därigenom demonstrera användbarheten av tekniken.

Ändå borde förbättringar vara möjliga, menar de. Teamet säger till exempel att systemet genererar en liten mängd brus som orsakas av den naturliga driften av spridare i glaset över tid. Men det är något som borde vara möjligt att fixa med felkorrigerande koder.

Och det borde vara möjligt att generera en terabit av slumpmässighet från en enda kubikmillimeter spridande glas med utrustning med högre upplösning.

Och trots att det bara kan användas en gång, kan plattorna enkelt återställas genom att värma upp glaset för att ändra dess mikrostruktur, då måste Alice och Bob träffas igen för att skapa en ny uppsättning kombinerade nycklar.

Det ser ut att vara en betydande förbättring jämfört med någon form av kryptografi som lagrar nycklar elektroniskt och är därför sårbar för en elektronisk attack som kan kopiera digital information perfekt.

Jämfört med en stor, elektroniskt sparad engångsplatta är [det nya systemets] nyckel extremt utmanande att kopiera eller modellera och kan lätt skalas för att ge terabits av repeterbar slumpmässighet inom en liten volym, säger Horstmeyer och co.

De har stora förhoppningar på detta tillvägagångssätt: Vi hoppas att de bekväma egenskaperna hos optisk spridning kan lösa tillräckligt med engångsplattans praktiska brister för att föryngra intresset för dess okrossbara säkerhet, även i närvaro av oändliga datorresurser.

Vad de menar är att detta system ska vara säkert även att attackera med framtida kvantdatorer.

Det är inte något som kan sägas om de koder som vanligtvis används för att skydda meddelanden idag. Med kvantdatorer som nu börjar utföra några seriösa beräkningar, måste alla som fortfarande använder dessa koder förlora en betydande mängd sömn.

Ref: arxiv.org/abs/1305.3886 : Fysisk nyckelskyddad engångsplatta

Dölj