Ataques de Repetidores em Redes de Entrelaçamento Quântico

Ataques de Repetidores em Redes de Entrelac¸amento Quˆ antico Arthur Smith1, Diego Abreu1, Antˆ onio Abel´ em1 1Universidade Federal do Par´ a (UFPA) Abstract. Quantum entanglement networks represent cutting-edge technologies with critical applications in secure communication. However, their reliance on the unconditional trust of quantum repeaters introduces potential vulnerabilities to third-party attacks. Notably, the Quantum Hijacking Attack and the Quantum Black Hole Attack have gained attention for exploiting this trust-based weakness. This study analyzes the mechanisms behind these attacks, with particular emphasis on the Quantum Black Hole Attack, and highlights the limitations of current tomography-based detection methods in effectively identifying such threats. 1. Introduc¸˜ ao O aumento da complexidade nas redes quˆ anticas — especialmente aquelas fundamentadas no entrelac¸amento — tem revelado novas classes de vulnerabilidades [Suzuki and Van Meter 2015]. Procedimentos como a troca de entrelac¸amento (entanglement swapping) exigem uma coordenac¸˜ ao precisa entre os repetidores quˆ anticos para estabelecer pares entrelac¸ados entre n´ os geograficamente separados [Zangi et al. 2023]. No entanto, repetidores comprometidos podem interferir nessas operac¸ ˜ oes, manipulando tanto os parˆ ametros internos dos dispositivos quanto seus canais de controle cl´ assico. Embora alguns estudos anteriores tenham abordado esses cen´ arios de forma introdut´ oria [Satoh et al. 2018, Suzuki and Van Meter 2015], ainda h´ a uma lacuna de investigac¸ ˜ oes aprofundadas que avaliem o impacto dessas ameac¸as sobre m´ etricas essenciais da rede, considerando o ambiente operacional, as particularidades dos repetidores e os m´ etodos atualmente empregados para o monitoramento de redes quˆ anticas [Guedes de Andrade et al. 2024]. Embora as redes quˆ anticas oferec¸am seguranc¸a comprovada e contem com uma ampla gama de aplicac¸˜ oes, ainda existem fundamentos que podem ser explorados por agentes maliciosos. Apesar de ser imposs´ ıvel violar os dados transmitidos em redes baseadas em entanglement swapping sem detecc¸˜ ao — como demonstrado em aplicac¸ ˜ oes de Quantum Key Distribution (QKD) [Yuen 2016] —, ´ e plaus´ ıvel que a rede seja comprometida se o atacante explorar vulnerabilidades nos seus mecanismos operacionais [Satoh et al. 2021]. Nesse contexto, componentes cr´ ıticos como os repetidores quˆ anticos — dispositivos especializados que viabilizam o tr´ afego de informac¸˜ ao por meio de processos como entanglement swapping e purificac¸˜ ao quˆ antica — tornam-se alvos potenciais de ataques. No entanto, os riscos associados a esses elementos ainda n˜ ao s˜ ao explorados em toda a sua plenitude na literatura. A possibilidade de vulnerabilidades em repetidores quˆ anticos p˜ oe em xeque a seguranc¸a de redes inteiras, e tendo a capacidade de afetar diretamente caracter´ ısticas essenciais. Ataques com potenciais de raptar pacotes como o Quantum Black Hole Attack (QBHA) ou de sequestro de roteadores como o Quantum Hijacking Attack (QHA) afetam diretamente a disponibilidade e confiabilidade da rede, tendo como seus principais alvos hardwares de roteamento. Essa frente de ataques ´ e crucial ser estudada e categorizada a fim de minimizar os danos potenciais, por isso, esse artigo ir´ a abordar como os ataques QBHA e QHA podem ser utilizados para ferir a confiabilidade de uma rede e como os mesmo podem vir a ser identificados. 2. Ataque de Repetidores Quˆ anticos 2.1. Hijacking Attack As redes quˆ anticas, especialmente aquelas que utilizam repetidores para estabelecer conex˜ oes entre n´ os distantes, apresentam vulnerabilidades espec´ ıficas que podem ser exploradas por agentes maliciosos. Um dos ataques mais cr´ ıticos nesse contexto ´ e o Hijacking Attack, que consiste no sequestro de um repetidor quˆ antico. Ao assumir o controle de um n´ o intermedi´ ario, o invasor adquire a capacidade de manipular operac¸ ˜ oes como oentanglement swapping, redirecionar conex˜ oes e at´ e entrelac¸ar estados quˆ anticos com qubits de sua posse. Rerouted connection Original connection Hijacked Figure 1. Ataque Hijacking bem sucedido AFigura 1 ilustra um cen´ ario em que o ataque ´ e bem-sucedido: o repetidor sequestrado se torna parte essencial do caminho entre os n´ os, impedindo que os pacotes quˆ anticos sejam transmitidos sem sua mediac¸˜ ao. Com isso, o atacante pode interceptar e potencialmente modificar os dados antes de entreg´ a-los ao destino. Al´ em disso, quando n˜ ao h´ a alternativas de roteamento, o n´ o malicioso se torna um ponto obrigat´ orio de passagem, o que torna o ataque ainda mais cr´ ıtico para a continuidade e seguranc¸a da rede. Uma das principais caracter´ ısticas desse ataque ´ e sua natureza furtiva. O n´ o comprometido pode operar de forma a simular um comportamento leg´ ıtimo, dificultando a detecc¸˜ ao por meio de verificac¸ ˜ oes locais. Para enfrentar essa limitac¸˜ ao, prop˜ oe-se o uso de t´ ecnicas como a tomografia quˆ antica distribu´ ıda, que permite detectar irregularidades estat´ ısticas nos estados quˆ anticos ao comparar o estado ideal com o estado reconstru´ ıdo, utilizando medic¸ ˜ oes sincronizadas entre os n´ os da rede. Essa abordagem, embora eficaz, demanda recursos significativos e precisa ser cuidadosamente balanceada com a capacidade da rede. Al´ em dos danos diretos, o Hijacking Attack tamb´ em permite ao invasor realizar ataques de dissimulac¸˜ ao, incriminando repetidores inocentes. Ao alterar seletivamente estados quˆ anticos que ser˜ ao analisados, o atacante pode induzir a rede a tomar ac¸ ˜ oes incorretas, como a exclus˜ ao de n´ os leg´ ıtimos ou a reconfigurac¸˜ ao desnecess´ aria da topologia. Esse tipo de manipulac¸˜ ao pode reduzir o desempenho da rede e at´ e causar a sua fragmentac¸˜ ao. Estudos recentes demonstram que estrat´ egias de selec¸˜ ao aleat´ oria e criptograficamente segura de pares de Bell para verificac¸˜ ao podem mitigar esses efeitos e dificultar a ac¸˜ ao dos invasores [Satoh et al. 2018]. 2.2. Black Hole Attack O ataque Black Hole Repeater constitui uma ameac¸a cr´ ıtica em redes quˆ anticas, caracterizado por manipulac¸ ˜ oes maliciosas no processo de entanglement swapping. O ataque impede a criac¸˜ ao de pares EPR fim-a-fim, necess´ arios para aplicac¸ ˜ oes da Internet Quˆ antica, ao introduzir erros deliberados durante as operac¸ ˜ oes realizadas pelos repetidores. Esse comportamento compromete a integridade da rede, gerando falhas sistem´ aticas, desperd´ ıcio de recursos e degradac¸˜ ao do desempenho global. Falha R2 B EPR A 4 3 EPR 5 R1 6 Figure 2. Ataque Black Hole bem sucedido Em redes cl´ assicas, o ataque black hole ocorre quando um n´ o malicioso intercepta e descarta pacotes de dados, desviando o tr´ afego para si e interrompendo a transmiss˜ ao. Em redes quˆ anticas, conforme ilustrado na Figura 2, o ataque Black Hole Repeater ocorre durante o processo de entanglement swapping realizado pelos repetidores quˆ anticos. No exemplo apresentado, o n´ o A (Alice) inicia o processo de criac¸˜ ao de um par EPR fim-a-fim com o n´ o B (Bob), utilizando os repetidores R1eR2. Durante as operac¸ ˜ oes de swapping, o repetidor R2realiza suas func¸ ˜ oes corretamente, criando EPR intermedi´ arios. O ataque acontece quando o repetidor comprometido (destacado em vermelho) introduz erros de operac¸˜ ao, reduzindo a probabilidade de sucesso do entanglement swapping. Dependendo da intensidade do erro adicionado, ocorre a falha da criac¸˜ ao do EPR intermedi´ ario. Essa manipulac¸˜ ao maliciosa impede a criac¸˜ ao do entrelac¸amento fim-a-fim, invalidando o processo. O impacto do ataque ´ e agravado pelo fato de que os pares EPR j´ a alocados nos enlaces da rota, como os gerados entre AeR1,R1eR2, e R2eB, s˜ ao consumidos durante as etapas intermedi´ arias de swapping. Assim, quando o ataque ´ e executado, todos esses recursos s˜ ao desperdic¸ados, sobrecarregando a gest˜ ao de recursos da rede e aumentando os atrasos para novas requisic¸ ˜ oes. A falha introduzida pelo repetidor malicioso causa n˜ ao apenas a interrupc¸˜ ao do processo, mas tamb´ em um impacto generalizado na eficiˆ encia e na disponibilidade de pares entrelac¸ados na rede. 3. Monitoramento e Detecc¸˜ ao O monitoramento em redes quˆ anticas ´ e essencial para garantir a confiabilidade, seguranc¸a e desempenho das comunicac¸ ˜ oes. Para isso, m´ etricas como fidelidade dos enlaces, capacidade efetiva da rede, quantidade de pares EPR e n´ ıveis de ru´ ıdo s˜ ao continuamente avaliadas. Essas informac¸ ˜ oes s˜ ao utilizadas tanto para o controle em tempo real quanto para a escolha de rotas e estrat´ egias de correc¸˜ ao de erros, impactando diretamente a qualidade das aplicac¸ ˜ oes, como a distribuic¸˜ ao de chaves ou o teleporte quˆ antico. Entre as principais t´ ecnicas de monitoramento, destaca-se a Tomografia de Estado Quˆ antico (QST), respons´ avel por reconstruir a matriz densidade de um estado quˆ antico com base em medic¸ ˜ oes realizadas em m´ ultiplas bases [Altepeter et al. 2005]. Essa reconstruc¸˜ ao permite avaliar a fidelidade dos estados transmitidos, identificando desvios que possam indicar ru´ ıdos, falhas ou ataques. J´ a a Tomografia de Rede Quˆ antica (QNT) atua em n´ ıvel mais global, realizando medic¸ ˜ oes nos n´ os finais da rede. Ao comparar os resultados observados com os dados esperados dos repetidores intermedi´ arios, a QNT permite verificar a consistˆ encia das m´ etricas reportadas, mesmo sem acesso direto aos n´ os intermedi´ arios [Guedes de Andrade et al. 2024, De Andrade et al. 2022]. Essas t´ ecnicas s˜ ao eficazes para detectar ataques como o Hijacking Attack, no qual um repetidor malicioso ´ e sequestrado e manipula o roteamento ou os estados quˆ anticos de forma ativa. Como descrito em [Satoh et al. 2018], o atacante pode alterar destinos de operac¸ ˜ oes, modificar ou atrasar processos de entanglement swapping, ou at´ e inserir qubits adicionais aos estados compartilhados. Tais ac¸ ˜ oes impactam diretamente a fidelidade dos estados e podem ser detectadas pela QST ou QNT, desde que os pares de Bell utilizados para as medic¸ ˜ oes sejam escolhidos de forma aleat´ oria e criptograficamente segura, dificultando a camuflagem do atacante. Entretanto, essas mesmas t´ ecnicas mostram-se ineficazes diante de ataques do tipo Black Hole Repeater. Neste cen´ ario, o repetidor n˜ ao interfere diretamente nas m´ etricas observ´ aveis, como fidelidade ou n´ umero de qubits transmitidos. Em vez disso, ele altera de forma sutil e precisa apenas o processo de entanglement swapping, impedindo que certos pares EPR sejam corretamente estabelecidos entre n´ os espec´ ıficos, sem afetar as m´ etricas globais. Como resultado, tanto a QST quanto a QNT continuam reportando valores normais, tornando o ataque praticamente invis´ ıvel aos m´ etodos tradicionais de detecc¸˜ ao. A diferenc¸a central entre os dois tipos de ataque est´ a na natureza do desvio provocado. Enquanto o ataque de Hijacking corrompe os estados ou manipula informac¸˜ oes de forma ampla e ativa — o que inevitavelmente altera os dados coletados nas tomografias —, o ataque Black Hole ´ e projetado para ser passivo e seletivo. Esse comportamento o aproxima de falhas naturais da rede, exigindo t´ ecnicas complementares para sua identificac¸˜ ao, como auditorias cruzadas entre repetidores, an´ alise de padr˜ oes temporais com aprendizado de m´ aquina e verificac¸˜ ao independente de rotas e m´ etricas. Assim, o monitoramento torna-se n˜ ao apenas uma ferramenta de avaliac¸˜ ao de desempenho, mas tamb´ em um componente cr´ ıtico na defesa contra ataques sofisticados. 4. Estudo de Caso Esta sec¸˜ ao apresenta a modelagem e simulac¸˜ ao do ataque Black Hole Repeater em redes quˆ anticas. O objetivo ´ e ilustrar seu funcionamento e caracterizar seus efeitos so- bre m´ etricas essenciais da rede, focalizando especificamente na taxa de sucesso das requisic¸ ˜ oes. A intenc¸˜ ao dos experimentos ´ e evidenciar, de forma explorat´ oria, como o ataque pode impactar negativamente a operac¸˜ ao da rede mesmo quando os indicadores tradicionais aparentam normalidade. Os resultados obtidos n˜ ao tˆ em car´ ater conclusivo, mas servem para exemplificar a complexidade associada ` a detecc¸˜ ao desse tipo de ataque. A rede quˆ antica foi modelada com suporte a requisic¸ ˜ oes de criac¸˜ ao de pares EPR fim a fim, com n´ os capazes de realizar entanglement swapping. Cada n´ o foi associado a probabilidades de sucesso tanto na gerac¸˜ ao de pares quanto na realizac¸˜ ao dos swaps. O ataque foi representado por repetidores que, ao serem comprometidos, deliberadamente falham nas operac¸ ˜ oes de entanglement swapping quando h´ a requisic¸ ˜ oes provindas de um alvo espec´ ıfico, sem alterar diretamente outras m´ etricas da rede. As simulac¸ ˜ oes foram realizadas em diferentes topologias, incluindo redes em grade com 12 n´ os e redes com at´ e 100 n´ os, utilizando os modelos Barab´ asi-Albert e Erd˝ osR´ enyi. As requisic¸ ˜ oes foram roteadas utilizando o protocolo Dijkstra [Dijkstra 2022] que considera o menor caminho baseado em pesos, no caso, ser˜ ao considerados a quantidade de saltos da rede. Os modelos escolhidos permitem representar diferentes estruturas de conectividade e analisar a atuac¸˜ ao do ataque em cen´ arios com graus variados de complexidade topol´ ogica e robustez estrutural. Sendo a diferenc¸a na taxa de sucesso dada pela f´ ormula: Ts=Tp −Ta.Ts´ e a diferenc¸a na taxa de sucesso, Tp´ e a taxa de sucesso m´ edia da rede padr˜ ao (sem ataque) e Tarepresenta a taxa de sucesso m´ edia de uma rede sob ataque. 20 40 60 80 100 Número de nós 0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 Diferença na Taxa de Sucesso Grade (a) Topologia em Grade. 20 40 60 80 100 Número de nós 0.4 0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Diferença na Taxa de Sucesso m=1 m=3 m=5 (b) Topologia Barab´ asi-Albert. 20 40 60 80 100 Número de nós 0.50 0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 Diferença na Taxa de Sucesso p=0.1 p=0.3 p=0.5 (c) Topologia Erd˜ os-R´ enyi. Figure 3. Impacto do ataque em diferentes topologias - ataque com alvo espec´ıfico. A intensidade do ataque foi ajustada com probabilidade constante de sucesso das operac¸ ˜ oes de entanglement swapping, inicialmente configurada em 0.8. A variac¸˜ ao do n´ umero de n´ os foi acompanhada da progress˜ ao dos n´ os maliciosos, a disposic¸˜ ao percentual de Black Holes manteve-se em 20% dos n´ os totais da rede. Esse controle fino da quantidade de atacantes tenta sobrepor o efeito redutivo no ataque ao incrementar o n´ umero de rotas poss´ ıveis, pois o crescimento dos caminhos poss´ ıveis mitigam os danos gerados ao diminu´ ırem o contato dos atacantes com os seus alvos. Os gr´ aficos resultantes ilustram o impacto do ataque sobre o desempenho da rede e a estabilidade das requisic¸ ˜ oes. Observa-se que, mesmo sob condic¸ ˜ oes degradadas, os indicadores globais — como fidelidade m´ edia e uso de recursos — podem permanecer dentro de faixas aceit´ aveis ou at´ e vir a tornar-se irrelevante, como pode ser visto na figura 3(a) quando torna-se negativo por variac¸ ˜ oes naturais da rede, o que exemplifica a dificuldade de detectar o ataque por meios tradicionais. Esses resultados reforc¸am a necessidade de abordagens complementares de monitoramento e detecc¸˜ ao, especialmente em redes quˆ anticas sujeitas a atores maliciosos com conhecimento do funcionamento interno dos protocolos de roteamento e distribuic¸˜ ao de entrelac¸amento. 5. Conclus˜ ao Este trabalho explorou as vulnerabilidades de redes baseadas em entrelac¸amento quˆ antico, com foco no Quantum Black Hole Attack, um tipo de ataque furtivo que compromete o processo de entanglement swapping sem alterar significativamente as m´ etricas convencionais de monitoramento. Atrav´ es da modelagem do ataque e de experimentos em uma topologia de rede em trelic¸a, evidenciamos que os m´ etodos tradicionais de detecc¸˜ ao, baseados em tomografia de estado (QST) e tomografia de rede (QNT), podem falhar em identificar esse comportamento malicioso. Esses resultados reforc¸am o risco inerente ` a confianc¸a irrestrita nos repetidores quˆ anticos e ressaltam a necessidade de abordagens mais robustas e complementares de monitoramento em redes quˆ anticas seguras. Agradecimentos Este trabalho foi parcialmente financiado pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient´ ıfico e Tecnol´ ogico (CNPq), pela Fundac¸˜ ao Coordenac¸˜ ao de Aperfeic¸oamento de Pessoal de N´ ıvel Superior (CAPES), e pela Fundac¸˜ ao de Amparo ` a Pesquisa do Estado de S˜ ao Paulo (FAPESP) projeto 2023/00811-0, projeto 2023/00673-7, projeto 2021/00199-8 (CPE SMARTNESS), projeto 2020/04031-1, e projeto 2018/23097-3. References Altepeter, J. B., Jeffrey, E. R., and Kwiat, P. G. (2005). Photonic state tomography. Advances in atomic, molecular, and optical physics, 52:105–159. De Andrade, M. G., Diaz, J., Navas, J., Guha, S., Monta˜ no, I., Smith, B., Raymer, M., and Towsley, D. (2022). Quantum network tomography with multi-party state distribution. 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