Розробка протоколу квантового розподілу ключів на основі суперпозиції в децентралізованих full mesh мережах

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.318588

Ключові слова:

квантова криптографія, квантовий розподіл ключів, квантова механіка, кубіт, децентралізовані протоколи

Анотація

Об’єктом цього дослідження є безпека комунікаційних мереж, особливо в децентралізованих багатокористувацьких середовищах, де надійний захист і цілісність даних є критично важливими. Проблема, що обговорюється, полягає в зростаючій вразливості звичайних криптографічних систем у результаті складних кібератак і очікуваних ризиків, пов’язаних з можливостями квантового обчислення. Розробка протоколу QKD із застосуванням квантової суперпозиції для покращення безпеки даних і стійкості проти поточних і майбутніх квантових кібератак продемонстрована результатами цієї роботи. Завдяки масштабованості та автономному виявленню підслуховування цей протокол дозволяє декільком комунікаційним вузлам безпечно обмінюватися випадково створеними ключами без централізованого керування. Швидкий аналіз результатів показує, що основними елементами, які впливають на високу довговічність, безпеку та адаптивність протоколу, є квантова суперпозиція та її розподілений характер. Без централізованого контролю характеристики отриманих результатів – особливо використання оптичних компонентів, детекторів і квантових джерел у поєднанні з класичними каналами зв’язку – вирішують проблему забезпечення конфіденційності та цілісності даних у багатокористувацькому середовищі. Практичне охоплення цього протоколу включає програми безпечного зв’язку як у державному, так і в приватному секторах, таким чином вирішуючи ситуації, що вимагають надійного захисту даних від сучасних кібератак. Умови для практичного застосування включають такі налаштування, як урядові, фінансові або пов’язані зі здоров’ям взаємодії, коли безпечний потік інформації має вирішальне значення. Ця система QKD пропонує перспективне рішення безпеки для середовищ із високими ставками та являє собою значний прогрес у захисті даних від квантових і звичайних атак

Біографії авторів

Yenlik Begimbayeva, Satbayev University; Institute of Information and Computational Technologies

PhD, Senior Researcher

Olga Ussatova, Satbayev University; Institute of Information and Computational Technologies

PhD, Senior Researcher

Temirlan Zhaxalykov, Satbayev University; Kazakh-British Technical University

Master of Technical Sciences, Scientific Researcher

Amir Akhtanov, Satbayev University; Kazakh-British Technical University

Engineer

Student

School of Information Technology and Engineering

Ruslan Pashkevich, Satbayev University; Kazakh-British Technical University

Engineer

Student

School of Information Technology and Engineering

Mukaddas Arshidinova, Satbayev University

PhD, Scientific Researcher

Посилання

  1. Global Data Breaches and Cyber Attacks in 2024 (2024). IT Governance. Available at: https://www.itgovernance.co.uk/blog/global-data-breaches-and-cyber-attacks-in-2024
  2. Data generated per day, 2024. Exploding Topics. Available at: https://explodingtopics.com/
  3. Rivest, R. L., Shamir, A., Adleman, L. (1978). A method for obtaining digital signatures and public-key cryptosystems. Communications of the ACM, 21 (2), 120–126. https://doi.org/10.1145/359340.359342
  4. Shor, P. W. (1994). Algorithms for quantum computation: discrete logarithms and factoring. Proceedings 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science, 124–134. https://doi.org/10.1109/sfcs.1994.365700
  5. Algazy, K., Sakan, K., Khompysh, A., Dyusenbayev, D. (2024). Development of a New Post-Quantum Digital Signature Algorithm: Syrga-1. Computers, 13 (1), 26. https://doi.org/10.3390/computers13010026
  6. Wiesner, S. (1983). Conjugate coding. ACM SIGACT News, 15 (1), 78–88. https://doi.org/10.1145/1008908.1008920
  7. Brassard, G. (2005). Brief history of quantum cryptography: a personal perspective. IEEE Information Theory Workshop on Theory and Practice in Information-Theoretic Security, 2005., 19–23. https://doi.org/10.1109/itwtpi.2005.1543949
  8. Bennett, C. H., Brassard, G. (1984). An Update on Quantum Cryptography. Advances in Cryptology, 475–480. https://doi.org/10.1007/3-540-39568-7_39
  9. Ekert, A. K. (1991). Quantum cryptography based on Bell’s theorem. Physical Review Letters, 67 (6), 661–663. https://doi.org/10.1103/physrevlett.67.661
  10. Bennett, C. H., Brassard, G. (2014). Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing. Theoretical Computer Science, 560, 7–11. https://doi.org/10.1016/j.tcs.2014.05.025
  11. Muller, A., Herzog, T., Huttner, B., Tittel, W., Zbinden, H., Gisin, N. (1997). “Plug and play” systems for quantum cryptography. Applied Physics Letters, 70 (7), 793–795. https://doi.org/10.1063/1.118224
  12. Wang, J., Qin, X., Jiang, Y., Wang, X., Chen, L., Zhao, F. et al. (2016). Experimental demonstration of polarization encoding quantum key distribution system based on intrinsically stable polarization-modulated units. Optics Express, 24 (8), 8302. https://doi.org/10.1364/oe.24.008302
  13. Mo, X.-F., Zhu, B., Han, Z.-F., Gui, Y.-Z., Guo, G.-C. (2005). Faraday-Michelson system for quantum cryptography. Optics Letters, 30 (19), 2632. https://doi.org/10.1364/ol.30.002632
  14. Zhang, C.-H., Zhou, X.-Y., Ding, H.-J., Zhang, C.-M., Guo, G.-C., Wang, Q. (2018). Proof-of-Principle Demonstration of Passive Decoy-State Quantum Digital Signatures Over 200 km. Physical Review Applied, 10 (3). https://doi.org/10.1103/physrevapplied.10.034033
  15. Matsumoto, R. (2007). Multiparty quantum-key-distribution protocol without use of entanglement. Physical Review A, 76 (6). https://doi.org/10.1103/physreva.76.062316
  16. Razavi, M. (2012). Multiple-Access Quantum Key Distribution Networks. IEEE Transactions on Communications, 60 (10), 3071–3079. https://doi.org/10.1109/tcomm.2012.072612.110840
  17. Epping, M., Kampermann, H., Macchiavello, C., Bruß, D. (2017). Multi-partite entanglement can speed up quantum key distribution in networks. New Journal of Physics, 19 (9), 093012. https://doi.org/10.1088/1367-2630/aa8487
  18. Yu, K.-F., Gu, J., Hwang, T., Gope, P. (2017). Multi-party semi-quantum key distribution-convertible multi-party semi-quantum secret sharing. Quantum Information Processing, 16 (8). https://doi.org/10.1007/s11128-017-1631-x
  19. Pivoluska, M., Huber, M., Malik, M. (2018). Layered quantum key distribution. Physical Review A, 97 (3). https://doi.org/10.1103/physreva.97.032312
  20. Li, L., Li, Z. (2019). A multi-party quantum key distribution protocol based on phase shift operation. Laser Physics, 29 (10), 105201. https://doi.org/10.1088/1555-6611/ab3845
  21. Li, L., Li, Z. (2020). A verifiable multiparty quantum key agreement based on bivariate polynomial. Information Sciences, 521, 343–349. https://doi.org/10.1016/j.ins.2020.02.057
  22. Ma, X., Wang, C., Li, Z., Zhu, H. (2021). Multi-Party Quantum Key Distribution Protocol with New Bell States Encoding Mode. International Journal of Theoretical Physics, 60 (4), 1328–1338. https://doi.org/10.1007/s10773-021-04758-4
  23. Shan, R.-T., Chen, X., Yuan, K.-G. (2021). Multi-party blind quantum computation protocol with mutual authentication in network. Science China Information Sciences, 64 (6). https://doi.org/10.1007/s11432-020-2977-x
  24. Doosti, M., Hanouz, L., Marin, A., Kashefi, E., Kaplan, M. (2024). Establishing Shared Secret Keys on Quantum Line Networks: Protocol and Security. 2024 International Conference on Quantum Communications, Networking, and Computing (QCNC), 176–183. https://doi.org/10.1109/qcnc62729.2024.00035
  25. Begimbayeva, Y., Zhaxalykov, T., Makarov, M., Ussatova, O., Tynymbayev, S., Temirbekova, Zh. (2024). Development of a Hybrid Quantum Key Distribution Concept for Multi-User Networks. International Journal of Advanced Computer Science and Applications, 15 (9). https://doi.org/10.14569/ijacsa.2024.0150940
  26. Yevseiev, S., Pohasii, S., Milevskyi, S., Milov, O., Melenti, Y., Grod, I. et al. (2021). Development of a method for assessing the security of cyber-physical systems based on the Lotka-Volterra model. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (9 (113)), 30–47. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.241638
  27. Yevseiev, S., Havrylova, A., Milevskyi, S., Sinitsyn, I., Chalapko, V., Dukin, H. et al. (2023). Development of an improved SSL/TLS protocol using post-quantum algorithms. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (9 (123)), 33–48. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.281795
  28. Rasool, A. A., Abbas, N. M., Sheikhyounis, K. (2022). Determination of optimal size and location of static synchronous compensator for power system bus voltage improvement and loss reduction using whale optimization algorithm. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (8 (115)), 26–34. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.251760
Розробка протоколу квантового розподілу ключів на основі суперпозиції в децентралізованих full mesh мережах

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-12-27

Як цитувати

Begimbayeva, Y., Ussatova, O., Zhaxalykov, T., Akhtanov, A., Pashkevich, R., & Arshidinova, M. (2024). Розробка протоколу квантового розподілу ключів на основі суперпозиції в децентралізованих full mesh мережах. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(9 (132), 39–46. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.318588

Номер

Том 6 № 9 (132) (2024): Інформаційно-керуючі системи

Розділ

Інформаційно-керуючі системи

Ліцензія

Авторське право (c) 2024 Yenlik Begimbayeva, Olga Ussatova, Temirlan Zhaxalykov, Amir Akhtanov, Ruslan Pashkevich, Mukaddas Arshidinova

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.