Distribuição de Chaves Quânticas Em Redes de Comunicação Para Redes Elétricas Inteligentes

Abstract

Às redes elétricas inteligentes (smart grids) estão associadas, além do fluxo energético base, uma enorme quantidade de comunicações confidenciais. Tais comunicações dizem respeito a trocas de informação entre consumidores e centros de controlo e requerem elevada segurança e privacidade. Métodos de distribuição de chaves quânticas (quantum key distribution - QKD) surgem como uma opção de garantir encriptação de informação trocada entre os elementos destas redes energéticas com o grau de segurança requerido. Põe-se assim a hipótese destas formas de distribuição de chaves serem seguras e eficientes, por forma a sustentarem métodos de encriptação de chave simétrica, cuja segurança não se prevê afetada pelo desenvolvimento tecnológico, em especial, pela utilização de computação quântica. Existem várias formas de implementar estes métodos de distribuição de chaves, cada um com os seus respetivos protocolos, todos com as suas limitações, características e requisitos para o seu bom funcionamento.Esta Dissertação propõe-se a analisar todo o funcionamento do método QKD Prepare-and-Measure, com encriptação de fotões segundo a sua polarização, para três protocolos já desenvolvidos e testados, BB84, SARG04 e KMB09, tendo por base o contexto de uma smart grid, em que cada leitor energético inteligente (smart meter) envia o seu consumo periodicamente. É tido em conta um vasto leque de fatores adjacentes a uma possível implementação prática destes protocolos descritos na literatura consultada, sendo que, o objetivo da aplicação deste método é a codificação OTP das respetivas mensagens.O trabalho é desenvolvido no framework de simulação MOSAIK, onde foi sobreposto uma solução QKD, de modo a distribuir chaves quânticas às instalações da smart grid. Apesar de não ser o primeiro simulador de QKD aplicada a este tipo de rede (Lardier et al. 2009), este trabalho propõe-se expandir a aplicabilidade destes métodos, contemplando mais características da rede e dos elementos que a constituem, como emissores, canais de transmissão e recetores. Pretende-se assim elaborar uma simulação o mais fiel possível à realidade, num contexto onde podem constar dois ataques distintos estudados: intercept-and-resend e photon-number-splitting (PNS).

In addition to the basic energy flow, smart grids are associated with a huge amount of confidential communications. Such communications concern exchanges of information between consumers and control centers and require high security and privacy. Methods of quantum key distribution (QKD) emerge as an option to ensure encryption of information exchanged between elements of these energy networks with the required degree of security. It is thus hypothesized that these forms of key distribution are secure and efficient, in order to support symmetric key encryption methods, whose security is not expected to be affected by technological development, especially by the use of quantum computing. There are several ways to implement these methods of key distribution, each with their respective protocols, all with their limitations, characteristics and requirements for their proper functioning. This dissertation proposes to analyze the entire operation of the QKD Prepare-and-Measure method, with encryption of photons according to their polarization, for three protocols already developed and tested, BB84, SARG04 and KMB09, based on the context of a smart grid, where each smart meter sends its consumption periodically. A wide range of factors adjacent to a possible practical implementation of these protocols described in the consulted literature is taken into account, and the objective of the application of this method is the OTP encoding of the respective messages. The work is developed in the MOSAIK simulation framework, where a QKD solution was superimposed, in order to distribute quantum keys to the smart grid facilities. Despite not being the first QKD simulator applied to this type of network (Lardier et al. 2009), this work proposes to expand the applicability of these methods, contemplating more characteristics of the network and the elements that constitute it, such as transmitters, transmission channels and receivers. The goal is to elaborate a simulation as faithful as possible to reality, in a context where two different attacks studied can be included: intercept-and-resend and photon-number-splitting (PNS).