Quantum cryptography applied for safety relevant systems

Abstract

Diese Diplomarbeit befasst sich mit einer der neu aufkommenden Ideen, die die Quantuen Theorie hervor gebracht hat: Quanten Kryptographie. Zuerst werden Grundlagen vermittelt, sprich grundlegende kryptographische Methoden welceh in der klassischen Kryptographie benutzt und anschließend beschrieben werden mit dem Focus auf eine Szenerie, die später erstellt wird. Dabei handelt es sich zum Beispiel um RSA, Authentifizierung und verschiedenste andere Punkte die wichtig sind bevor Verschlüsselungs mehtoden überhaupt angewandt werden können.<br />Wenn die klassischen Konzepte klar sind wird Quanten Kryptographie näher diskutiert, wobei zuerst oberflächlich die Prinzipien der Quanten Theorie besprochen werden. Unter anderem werden Quantenzustände und Superpositionen besprochen. Speziell wird auch der Fokus auf Verschränkung und das No-Cloning Theorem gelegt. Zusätzlich wird der Vater der heutigen Quanten Kryptrographie Protokolle (BB84 Protokoll) präsentiert, um die grundlegenden Prinzipien zu verstehen.<br />Weiters wird die Verwendung von Quanten Kryptographie in einem sicherheitsrelevanten System untersucht. Das heißt für dieses Dokument, dass eine Beispielumgebung skizziert wird, wleche moderne klassische, mit Quanten Kryptographie verbindet. Dabei gilt es eine zentrale Kommunikationsumgebung, die auf IPSec basiert und fähig ist, mehrere verbundene Kernkraftwerke zu kontrollieren und teilweise zu administieren, wobei Grenzen und Möglichkeiten der Quanten Kryptogrpahie aufgezeigt werden. Wirklich wichtig dabei ist die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des System und Strategien, wie das gewährleistet werden kann.<br />Zum Schluss wird die erstellte Szenerie überprüft und auf Brauchbarkeit untersucht. Dabei werden Authentifizierung, das IPSec Protokoll und verschiedene andere Attacken betrachtet und ausgewertet. Folglich zeigt dieses Dokument, mit welchen Maßnahmen man Quanten Kryptographie für den Einsatz in sicherheitsrelevanten Systemen bereit machen kann. Neue Quanten kryptographische und bereiets allgemein angewandte Methoden werden also kombiniert um eine gut funktionierende Kommunikationsumgebung zu erhalten. Verschiedenste Methoden werden diskutiert, elche sehr komplex sind und das Hintergrundwissen steigt, je mehr man sich mit dem Thema befasst. Deshalb werden die hier verwendeten Methoden nur bis zu einem gewissen Grad behandelt, weil der Fokus auf der Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Protokollen und Technologien liegt.<br />

This diploma theses is dealing with one of the knew ideas coming up based on Quantum Theory: Quantum Cryptography. At first base knowledge is processed. Basic cryptographic methods which are used in classical cryptography are explained quite detailed having focus on an scenario generated later: for example RSA, Authentication and also different basic knowledge someone has to know when dealing with ciphering methods or processes. These concepts are the background for later sections.<br />When concepts are clear Quantum Cryptography is taken into account. The (very) basic principles of Quantum Theory are explained. For example how Quantum States work or Superpositions are respectively. In particular the focus is laid on entanglement and no-cloning theorem. Additionally "the father" of todays Quantum Cryptographic protocols (the BB84 protocol) is presented to understand the basic principles.<br />Further the use of Quantum Cryptography in a safety relevant system is discussed. That means for this document that a sample scenario is build up which combines moder classical with quantum cryptographic methods.<br />There a central communication environment based on IPSec able to control the connected set of nuclear power plants showing the possibilities and borders quantum cryptography faces. Very important for this scenario is reliability and high availability thus strategies to achieve this are also presented.<br />Finally the constructed example is validated and examined for suitability. There authentication, the IPSec protocol and several attacks are reviewed and evaluated. Thus this document is showing how Quantum Cryptography can be used and by which means it can be used for safety relevant systems. New Quantum cryptographic and commonly applied methods are combined to receive a powerful communication environment. A lot of the technologies discussed are very complicated and background knowledge increases more and more when going deeper into the topic.<br />Therefore base technologies are only discussed to a certain extent because this document want to show the connection between these methods and processes.