Quantumcomputers vormen een grote bedreiging voor de veiligheid van moderne communicatie, het ontcijferen van cryptografische codes die gewone computers eeuwig zouden kosten om te kraken. Maar voortbouwen op de eigenschappen van kwantumgedrag kan ook een route bieden naar echt veilige cryptografie.

Verdediging, financiën, sociale netwerken:overal is communicatie afhankelijk van cryptografische beveiliging. Bij cryptografie worden berichten door elkaar gegooid volgens een code, of sleutel, dat heeft te veel combinaties voor zelfs zeer krachtige computers om uit te proberen.

Maar kwantumcomputers hebben een voordeel. In tegenstelling tot gewone computers, die informatie verwerken in 'bits' van bepaalde enen en nullen, kwantumcomputers verwerken informatie in 'qubits, " waarvan de toestanden onzeker blijven tot de definitieve berekening.

Het resultaat is dat een kwantumcomputer effectief veel verschillende sleutels parallel kan uitproberen. Cryptografie die ondoordringbaar zou zijn voor gewone computers, zou een kwantumcomputer slechts enkele seconden kunnen kosten om te kraken.

Praktische kwantumcomputers die kunnen worden gebruikt om encryptie te breken, zullen naar verwachting jaren duren, zo niet decennia, weg. Maar dat mag geen geruststelling zijn:ook als een hacker nu geen vertrouwelijke informatie kan ontcijferen, ze kunnen het opslaan en gewoon wachten tot er een kwantumcomputer beschikbaar is.

"Het probleem bestaat al, " zei professor Valerio Pruneri van het Instituut voor Fotonische Wetenschappen in Barcelona, Spanje, en de coördinator van een kwantumbeveiligingsproject genaamd CiViQ. "Een hacker kan nemen wat nu is opgeslagen, en de sleutel op een later tijdstip breken."

Het antwoord, zegt prof. Pruneri, is een andere kwantumtechnologie. Bekend als kwantumsleuteldistributie (QKD), het is een reeks regels voor het versleutelen van informatie - bekend als een cryptografieprotocol - dat bijna onmogelijk te kraken is, zelfs door kwantumcomputers.

Afluisteren

QKD omvat twee partijen die een willekeurige kwantumsleutel delen, volgens welke een aantal afzonderlijke informatie is gecodeerd. Omdat het in de kwantumtheorie onmogelijk is om iets waar te nemen zonder het te corrumperen, de twee partijen zullen weten of iemand anders de sleutel heeft afgeluisterd - en dus of het veilig is, of niet, om hun gecodeerde informatie te delen.

Tot nu, Bij QKD ging het meestal om specialistische technologie, zoals single-photon detectoren en emitters, die voor mensen buiten laboratoria moeilijk te implementeren zijn. In het CiViQ-project echter, Prof. Pruneri en zijn team ontwikkelen een variant van QKD die werkt met conventionele telecommunicatietechnologie.

Ze hebben al prototypes gemaakt, en voerde enkele velddemonstraties uit. Nutsvoorzieningen, de onderzoekers werken samen met telecomklanten uit de industrie, waaronder Telefónica in Spanje, Orange in Frankrijk en Deutsche Telekom in Duitsland om systemen te creëren die aan hun respectievelijke eisen voldoen, met de hoop dat de eerste systemen binnen drie jaar online zouden kunnen zijn.

Prof. Pruneri hoopt zeer veilige communicatiesystemen te creëren tot 100 km groot die geschikt zijn voor overheids-, financiën, medische en andere risicovolle sectoren binnen steden. Het kan zelfs worden gebruikt door gewone consumenten, hoewel prof. Pruneri zegt dat QKD momenteel kortere afstanden en een lagere snelheid bereikt dan reguliere communicatie.

Willekeurig

Net als normale cryptografie, QKD heeft in de eerste plaats willekeurige sleutels nodig - reeksen getallen - om te worden gegenereerd. Hoe willekeuriger deze toetsen zijn, hoe groter de beveiliging van het systeem, omdat er minder kans is dat de sleutels worden geraden. Maar het probleem is dat de getallen die met traditionele methoden worden gegenereerd, vaak niet helemaal willekeurig zijn.

Hier, kwantummechanica kan weer te hulp komen. Het gedrag van atomen, van fotonen en elektronen wordt aangenomen dat ze echt willekeurig zijn en dit kan worden gebruikt als een manier om getallen te genereren die niet kunnen worden voorspeld.

Professor Hugo Zbinden van de Universiteit van Genève in Zwitserland zei:"Kwantumgeneratoren van willekeurige getallen profiteren van de intrinsieke willekeur van de kwantumfysica, overwegende dat klassieke generatoren van echte willekeurige getallen gebaseerd zijn op chaotische systemen, die deterministisch zijn en in theorie, tot op zekere hoogte voorspelbaar."

Quantum generatoren voor willekeurige getallen bestaan ​​al, maar om ze breder toepasbaar te maken, verbeteren Prof. Zbinden en zijn collega's die werken aan een project genaamd QRANGE hun snelheid en betrouwbaarheid, evenals het verminderen van hun kosten. Momenteel, ze proberen prototypes te ontwikkelen met een 'high technology readiness level' - met andere woorden, prototypes die aantonen dat de technologie rijp is voor gebruik in de echte wereld.

Het werk is een belangrijke stap om ervoor te zorgen dat, terwijl het een bedreiging vormt voor de veiligheid van onze huidige communicatie, kwantumbenaderingen bieden ook een pad naar veiliger systemen.

Quantumcomputers bedreigen klassieke cryptografie, " zegt prof. Zbinden. "Quantum cryptografie kan een oplossing zijn, (maar) het heeft willekeurige getallen van hoge kwaliteit nodig."