Recente ontwikkelingen in kwantumcomputers kunnen hackers binnenkort toegang geven tot machines die krachtig genoeg zijn om zelfs de zwaarste standaard internetbeveiligingscodes te kraken. Met deze codes gebroken, al onze online gegevens, van medische dossiers tot banktransacties, kunnen kwetsbaar zijn voor aanvallen.

Om terug te vechten tegen de toekomstige dreiging, onderzoekers hanteren dezelfde vreemde eigenschappen die kwantumcomputers aandrijven om theoretisch hackbestendige vormen van kwantumgegevensversleuteling te creëren.

En nu, deze kwantumversleutelingstechnieken kunnen een stap dichter bij grootschalig gebruik komen dankzij een nieuw systeem dat is ontwikkeld door wetenschappers van de Duke University, De Ohio State University en het Oak Ridge National Laboratory. Hun systeem is in staat om encryptiecodes te creëren en te verspreiden tegen megabit-per-seconde snelheden, dat is vijf tot tien keer sneller dan bestaande methoden en vergelijkbaar met de huidige internetsnelheden wanneer meerdere systemen parallel worden uitgevoerd.

De onderzoekers tonen aan dat de techniek beveiligd is tegen veelvoorkomende aanvallen, zelfs bij gebreken aan apparatuur die lekkage kunnen veroorzaken.

"We hebben nu waarschijnlijk een functionerende kwantumcomputer die in de nabije toekomst mogelijk de bestaande cryptografische codes kan breken, " zei Daniël Gauthier, een professor in de natuurkunde aan de Ohio State University. "We moeten nu echt goed nadenken over verschillende technieken die we kunnen gebruiken om het internet te beveiligen."

De resultaten verschijnen online 24 november in wetenschappelijke vooruitgang .

Voor een hacker, onze online aankopen, banktransacties en medische dossiers zien er allemaal uit als wartaal vanwege cijfers die coderingssleutels worden genoemd. Persoonlijke informatie die via het web wordt verzonden, wordt eerst gecodeerd met behulp van een van deze sleutels, en vervolgens gedecodeerd door de ontvanger met dezelfde sleutel.

Om dit systeem te laten werken, beide partijen moeten toegang hebben tot dezelfde sleutel, en het moet geheim blijven. Quantum key distribution (QKD) maakt gebruik van een van de fundamentele eigenschappen van de kwantummechanica - het meten van kleine stukjes materie zoals elektronen of fotonen verandert automatisch hun eigenschappen - om sleutels uit te wisselen op een manier die beide partijen onmiddellijk waarschuwt voor het bestaan ​​van een beveiligingsinbreuk .

Hoewel QKD voor het eerst werd getheoretiseerd in 1984 en kort daarna werd geïmplementeerd, de technologieën om het grootschalige gebruik ervan te ondersteunen, komen nu pas online. Bedrijven in Europa verkopen nu lasergebaseerde systemen voor QKD, en tijdens een veelbesproken evenement afgelopen zomer, China gebruikte een satelliet om een ​​kwantumsleutel te sturen naar twee stations op het land die 1200 km van elkaar verwijderd waren.

Het probleem met veel van deze systemen, zei Nurul Taimur Islam, een afgestudeerde natuurkundestudent aan Duke, is dat ze sleutels alleen met relatief lage snelheden kunnen verzenden - tussen tientallen en honderden kilobits per seconde - die te traag zijn voor de meeste praktische toepassingen op internet.

"Tegen deze tarieven kwantumveilige encryptiesystemen kunnen sommige dagelijkse basistaken niet ondersteunen, zoals het hosten van een versleuteld telefoongesprek of videostreaming, ' zei de islam.

Zoals veel QKD-systemen, De sleutelzender van Islam gebruikt een verzwakte laser om informatie over individuele lichtfotonen te coderen. Maar ze vonden een manier om meer informatie in elk foton te stoppen, waardoor hun techniek sneller gaat.

Door de tijd aan te passen waarop het foton wordt vrijgegeven, en een eigenschap van het foton genaamd de fase, hun systeem kan twee bits informatie per foton coderen in plaats van één. Deze truc, gecombineerd met hogesnelheidsdetectoren ontwikkeld door Clinton Cahall, afgestudeerde student in elektrotechniek en computertechniek, en Jungsang Kim, hoogleraar elektrotechniek en computertechniek aan Duke, stelt hun systeem in staat om sleutels vijf tot tien keer sneller te verzenden dan andere methoden.

"Het veranderde deze aanvullende eigenschappen van het foton waardoor we de veilige sleutelsnelheid bijna konden verdubbelen die we konden verkrijgen als we dat niet hadden gedaan, " zei Gauthier, die het werk begon als hoogleraar natuurkunde aan Duke voordat hij naar OSU verhuisde.

In een perfecte wereld, QKD zou volkomen veilig zijn. Elke poging om een ​​sleuteluitwisseling te hacken, zou fouten achterlaten in de verzending die gemakkelijk door de ontvanger kunnen worden opgemerkt. Maar real-world implementaties van QKD vereisen onvolmaakte apparatuur, en deze onvolkomenheden openen lekken die hackers kunnen misbruiken.

De onderzoekers karakteriseerden zorgvuldig de beperkingen van elk apparaat dat ze gebruikten. Ze werkten toen samen met Charles Lim, momenteel een professor in elektrische en computertechniek aan de National University of Singapore, om deze experimentele fouten in de theorie op te nemen.

"We wilden elke experimentele fout in het systeem identificeren, en deze tekortkomingen in de theorie op te nemen, zodat we ervoor kunnen zorgen dat ons systeem veilig is en er geen potentiële zijkanaalaanval is, ' zei de islam.

Hoewel hun zender enkele speciale onderdelen vereist, alle componenten zijn momenteel in de handel verkrijgbaar. Encryptiesleutels die zijn gecodeerd in fotonen van licht kunnen worden verzonden over bestaande glasvezellijnen die zich onder steden ingraven, waardoor het relatief eenvoudig is om hun zender en ontvanger te integreren in de huidige internetinfrastructuur.

"Al deze apparatuur, afgezien van de enkelvoudige fotondetectoren, bestaan ​​in de telecommunicatie-industrie, en met wat techniek zouden we waarschijnlijk de hele zender en ontvanger in een doos zo groot als een computer-CPU kunnen passen, ' zei de islam.