Het internet wemelt van zeer gevoelige informatie. Geavanceerde encryptietechnieken zorgen er over het algemeen voor dat dergelijke inhoud niet kan worden onderschept en gelezen. Maar in de toekomst zouden krachtige kwantumcomputers deze sleutels binnen enkele seconden kunnen kraken. Het is dus maar goed dat kwantummechanische technieken niet alleen nieuwe, veel snellere algoritmen mogelijk maken, maar ook buitengewoon effectieve cryptografie.

Quantum key distribution (QKD) - zoals het jargon zegt - is beveiligd tegen aanvallen op het communicatiekanaal, maar niet tegen aanvallen op of manipulaties van de apparaten zelf. De apparaten kunnen daarom een ​​sleutel uitvoeren die de fabrikant eerder had opgeslagen en mogelijk heeft doorgestuurd naar een hacker. Bij apparaatonafhankelijke QKD (afgekort tot DIQKD) is het een ander verhaal. Hier is het cryptografische protocol onafhankelijk van het gebruikte apparaat. Deze methode is theoretisch bekend sinds de jaren negentig en is nu voor het eerst experimenteel gerealiseerd door een internationale onderzoeksgroep onder leiding van LMU-natuurkundige Harald Weinfurter en Charles Lim van de National University of Singapore (NUS).

Voor het uitwisselen van kwantummechanische sleutels zijn er verschillende benaderingen beschikbaar. Ofwel lichtsignalen worden door de zender naar de ontvanger gestuurd, of er worden verstrengelde kwantumsystemen gebruikt. In het huidige experiment gebruikten de natuurkundigen twee kwantummechanisch verstrengelde rubidium-atomen, gelegen in twee laboratoria op 400 meter van elkaar op de LMU-campus. De twee locaties zijn met elkaar verbonden via een glasvezelkabel van 700 meter lang, die onder het Geschwister Schollplein voor het hoofdgebouw loopt.

Om een ​​verstrengeling te creëren, prikkelen de wetenschappers eerst elk van de atomen met een laserpuls. Hierna vallen de atomen spontaan terug in hun grondtoestand en zenden daarbij elk een foton uit. Door het behoud van impulsmoment is de spin van het atoom verstrengeld met de polarisatie van het uitgezonden foton. De twee lichtdeeltjes reizen langs de glasvezelkabel naar een ontvangststation, waar een gezamenlijke meting van de fotonen wijst op een verstrengeling van de atomaire kwantumgeheugens.

Om een ​​sleutel uit te wisselen, meten Alice en Bob - zoals de twee partijen gewoonlijk worden genoemd door cryptografen - de kwantumtoestanden van hun respectieve atoom. Telkens gebeurt dit willekeurig in twee of vier richtingen. Als de richtingen overeenkomen, zijn de meetresultaten identiek vanwege verstrengeling en kunnen ze worden gebruikt om een ​​geheime sleutel te genereren. Met de andere meetresultaten kan een zogenaamde Bell-ongelijkheid worden geëvalueerd. Natuurkundige John Stewart Bell ontwikkelde deze ongelijkheden oorspronkelijk om te testen of de natuur kan worden beschreven met verborgen variabelen. "Het bleek niet te kunnen", zegt Weinfurter. In DIQKD wordt de test "specifiek gebruikt om ervoor te zorgen dat er geen manipulaties aan de apparaten plaatsvinden, dat wil zeggen dat bijvoorbeeld verborgen meetresultaten niet vooraf in de apparaten zijn opgeslagen", legt Weinfurter uit.

In tegenstelling tot eerdere benaderingen, gebruikt het geïmplementeerde protocol, dat is ontwikkeld door onderzoekers van NUS, twee meetinstellingen voor het genereren van sleutels in plaats van één:"Door de extra instelling voor het genereren van sleutels te introduceren, wordt het moeilijker om informatie te onderscheppen, en daarom de protocol kan meer ruis verdragen en geheime sleutels genereren, zelfs voor verstrengelde toestanden van lagere kwaliteit", zegt Charles Lim.

Met conventionele QKD-methoden daarentegen is de veiligheid alleen gegarandeerd als de gebruikte kwantumapparaten voldoende goed zijn gekarakteriseerd. "En dus moeten gebruikers van dergelijke protocollen vertrouwen op de specificaties van de QKD-providers en erop vertrouwen dat het apparaat tijdens de sleuteldistributie niet overschakelt naar een andere bedrijfsmodus", legt Tim van Leent uit, een van de vier hoofdauteurs van de papier naast Wei Zhang en Kai Redeker. Het is al minstens tien jaar bekend dat oudere QKD-apparaten gemakkelijk van buitenaf kunnen worden gehackt, vervolgt Van Leent.

"Met onze methode kunnen we nu geheime sleutels genereren met niet-gekarakteriseerde en mogelijk onbetrouwbare apparaten", legt Weinfurter uit. Sterker nog, hij had aanvankelijk zijn twijfels of het experiment zou werken. Maar zijn team bewees dat zijn twijfels ongegrond waren en verbeterde de kwaliteit van het experiment aanzienlijk, zoals hij graag toegeeft. Naast het samenwerkingsproject tussen LMU en NUS, demonstreerde een andere onderzoeksgroep van de Universiteit van Oxford de apparaatonafhankelijke sleuteldistributie. Hiervoor gebruikten de onderzoekers een systeem van twee verstrengelde ionen in hetzelfde laboratorium. "Deze twee projecten leggen de basis voor toekomstige kwantumnetwerken, waarin absoluut veilige communicatie mogelijk is tussen verre locaties", zegt Charles Lim.

Een van de volgende doelen is om het systeem uit te breiden met meerdere verstrengelde atoomparen. "Hierdoor zouden veel meer verstrengelingsstatussen kunnen worden gegenereerd, wat de datasnelheid en uiteindelijk de sleutelbeveiliging verhoogt", zegt Van Leent. Daarnaast willen de onderzoekers het bereik vergroten. In de huidige opstelling werd het beperkt door het verlies van ongeveer de helft van de fotonen in de vezel tussen de laboratoria. In andere experimenten wisten de onderzoekers de golflengte van de fotonen om te zetten in een verliesarm gebied dat geschikt is voor telecommunicatie. Zo wisten ze voor net dat beetje extra geluid het bereik van de quantumnetwerkverbinding te vergroten tot 33 kilometer.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature . + Verder verkennen

Onderzoekers bereiken recordverstrengeling van kwantumgeheugens