Kuantum anahtar değişim protokollerine karşı yapılan saldırıların analizi ve savunma yöntemleri

Abstract

Kuantum anahtar dağıtımı protokollerinin temel amacı ve faydası şifrelemede kullanılan tek kullanımlık anahtarın gönderici ve alıcı tarafında pratik ve güvenli bir şekilde iletimini sağlamaktır. Bu iletim yöntemi temelde kuantum fiziğine dayandığından klasik anahtar dağıtım yöntemlerine göre daha fazla yüksek güvenlik sağlamaktadır. Günümüzde güvenli iletişim için matematiksel yöntemlere dayanan RSA gibi şifreleme algoritmaları kullanılmaktadır. Ancak kuantum bilgisayarların yaygınlaşmasıyla birlikte bu şifreler yakın gelecekte yüksek işlem gücüyle kısa sürede kırılabilecektir. Halen kötü niyetli kullanıcıların iletişimleri dinleyerek anahtarları depoladığı ve bunları kırmak için kuantum bilgisayar ve işlem gücünü bekledikleri bilinmektedir. İletişimi dinlemeyi engellemek için ve aradaki saldırganın tespitini sağlamak için yine kuantum teknolojileri bizlere yardımcı olacaktır. Bu çalışmada kuantum fiziği ve kuantum anahtar dağıtım (KAD) protokolleri ele alınmış, ilk öne sürülen ve pratikte en fazla kullanılan BB84 protokolü ve çalışma ilkeleri anlatılmış, ışık kaynakları, detektörler ve BB84 protokolü hakkında genel bilgi verildikten sonra BB84 kuantum anahtar değişim protokolüne karşı yapılan saldırılar ve savunma yöntemleri hakkında bilgilendirme yapılmıştır. Sonraki bölümde kuantum anahtar dağıtımı teknolojisinin mevcut iletişim altyapıları ile birleştirilerek günümüzde gizlilik gerektiren birçok iletişim ağının çok daha güvenli hale getirilebileceği bir sistem önerilmiştir. Önerilen sistemin amacı günümüzde kullanılan açık anahtarlı şifreleme iletişim yöntemlerine kuantum anahtar değişim protokolünü ekleyerek matematiksel ve kuantum fiziği temelli hibrit yapı ile iletişim esnasında araya giren saldırganları belirleyerek 'ortadaki adam' tehdidini tamamen önlemektir. Dördüncü bölümde, tasarımda yer alan kuantum kanalı üzerinden iletişimde aradaki dinleyicinin tespiti farklı parametrelerle benzetim ortamında uygulanmış, sonuçlar detaylı analiz edilmiştir.The main purpose and benefit of quantum key distribution protocols is to provide a practical and secure transmission of the single-use key used in encryption on the sender and receiver side. Since this transmission method is basically based on quantum physics, it provides higher security than classical key distribution methods. Today, encryption algorithms such as RSA based on mathematical methods are used for secure communication. However, with the widespread use of quantum computers, these codes will be able to be cracked in a short time with high processing power in the near future. Currently, it's known that there are malicious who are listening communications, storing keys and waiting for quantum computing and processing power to crack them. Quantum technologies also will help us to prevent listening to communication and to detect the attacker in between. In this study, quantum physics and quantum key distribution (KAD) protocols are discussed, BB84, the first proposed and most widely used protocol and its working principles are explained, after giving general information about light sources, detectors and the BB84 protocol, we gave information about attacks against the BB84 quantum key exchange protocol and defense methods. In the next section, a system is proposed in which many communication networks that require privacy today can be made much more secure by combining quantum key distribution technology with existing communication infrastructures. The purpose of the proposed system is to completely prevent the "man in the middle" threat by adding the quantum key exchange protocol to the public-key encryption communication methods used today, identifying the intruders during communication with a mathematical and quantum physics-based hybrid structure. In the fourth chapter, the detection of the attacker in communication over the quantum channel in the design is applied in the simulation environment with different parameters and the results are analyzed in detail.