Wetenschap
100 kilometer kwantumgecodeerde overdracht
Onderzoekers van DTU hebben met succes een kwantumveilige sleutel gedistribueerd met behulp van een methode die continue variabele kwantumsleuteldistributie (CV QKD) wordt genoemd. De onderzoekers zijn erin geslaagd de methode te laten werken over een recordafstand van 100 km – de langste afstand ooit bereikt met de CV QKD-methode. Het voordeel van de methode is dat deze kan worden toegepast op de bestaande internetinfrastructuur.
Kwantumcomputers bedreigen bestaande, op algoritmen gebaseerde encrypties, die momenteel gegevensoverdracht beveiligen tegen afluisteren en toezicht. Ze zijn nog niet krachtig genoeg om ze te breken, maar het is een kwestie van tijd. Als een kwantumcomputer erin slaagt de veiligste algoritmen te bedenken, laat hij de deur open voor alle data die via internet verbonden zijn. Dit heeft de ontwikkeling van een nieuwe encryptiemethode, gebaseerd op de principes van de kwantumfysica, versneld.
Maar om te slagen moeten onderzoekers een van de uitdagingen van de kwantummechanica overwinnen:consistentie over langere afstanden garanderen. De continue variabele distributie van kwantumsleutels heeft tot nu toe het beste gewerkt over korte afstanden.
"We hebben een breed scala aan verbeteringen bereikt, vooral met betrekking tot het verlies van fotonen onderweg. In dit experiment, gepubliceerd in Science Advances , hebben we een kwantumgecodeerde sleutel veilig over 100 kilometer verspreid via glasvezelkabel. Met deze methode is dat een recordafstand”, zegt Tobias Gehring, universitair hoofddocent bij DTU, die samen met een groep onderzoekers bij DTU tot doel heeft kwantumgecodeerde informatie via internet over de hele wereld te kunnen verspreiden.
P>Geheime sleutels van kwantumtoestanden van licht
Wanneer gegevens van A naar B moeten worden verzonden, moeten deze worden beschermd. Encryptie combineert gegevens met een veilige sleutel die wordt verdeeld tussen zender en ontvanger, zodat beide toegang hebben tot de gegevens. Een derde mag de sleutel niet kunnen achterhalen terwijl deze wordt verzonden; anders wordt de codering aangetast. Sleuteluitwisseling is daarom essentieel bij het versleutelen van gegevens.
Quantum Key Distribution (QKD) is een geavanceerde technologie waaraan onderzoekers werken voor cruciale uitwisselingen. De technologie zorgt voor de uitwisseling van cryptografische sleutels door gebruik te maken van licht van kwantummechanische deeltjes die fotonen worden genoemd.
Wanneer een zender informatie verzendt die in fotonen is gecodeerd, worden de kwantummechanische eigenschappen van de fotonen benut om een unieke sleutel voor de zender en ontvanger te creëren. Pogingen van anderen om fotonen in een kwantumtoestand te meten of waar te nemen, zullen hun toestand onmiddellijk veranderen. Daarom is het fysiek alleen mogelijk om licht te meten door het signaal te verstoren.
“Het is onmogelijk om een kopie te maken van een kwantumtoestand, zoals wanneer je een kopie maakt van een A4-tje. Als je het probeert, zal het een inferieure kopie zijn. Dat zorgt ervoor dat het niet mogelijk is om de sleutel te kopiëren. Dit kan bescherming bieden kritieke infrastructuur zoals medische dossiers en de financiële sector worden gehackt", legt Gehring uit.
Werkt via bestaande infrastructuur
De CV QKD-technologie kan worden geïntegreerd in de bestaande internetinfrastructuur.
"Het voordeel van het gebruik van deze technologie is dat we een systeem kunnen bouwen dat lijkt op datgene waar optische communicatie al van afhankelijk is."
De ruggengraat van het internet is optische communicatie. Het werkt door gegevens te verzenden via infrarood licht dat door optische vezels loopt. Ze fungeren als lichtgeleiders in kabels, waardoor we data wereldwijd kunnen verzenden. Via glasvezelkabels kunnen data sneller en over grotere afstanden worden verzonden en zijn lichtsignalen minder gevoelig voor interferentie, in technische termen ruis genoemd.
“Het is een standaardtechnologie die al heel lang wordt gebruikt. Je hoeft dus niets nieuws uit te vinden om er kwantumsleutels mee te kunnen distribueren, en het kan de implementatie aanzienlijk goedkoper maken. En we kunnen opereren op kamertemperatuur”, legt Gehring uit. "Maar CV QKD-technologie werkt het beste over kortere afstanden. Het is onze taak om de afstand te vergroten. En de 100 kilometer is een grote stap in de goede richting."
Ruis, fouten en hulp van machine learning
De onderzoekers zijn erin geslaagd de afstand te vergroten door drie factoren aan te pakken die hun systeem beperken bij het uitwisselen van de kwantumgecodeerde sleutels over langere afstanden:
Machine learning zorgde voor eerdere metingen van de verstoringen die het systeem aantasten. Ruis, zoals deze verstoringen worden genoemd, kan bijvoorbeeld voortkomen uit elektromagnetische straling, die de verzonden kwantumtoestanden kan vervormen of vernietigen. De eerdere detectie van de ruis maakte het mogelijk om het overeenkomstige effect ervan effectiever te verminderen.
Bovendien zijn de onderzoekers beter geworden in het corrigeren van fouten die onderweg kunnen optreden, die kunnen worden veroorzaakt door ruis, interferentie of onvolkomenheden in de hardware.
“In ons komende werk zullen we de technologie gebruiken om een beveiligd communicatienetwerk tussen Deense ministeries op te zetten om hun communicatie te beveiligen. We zullen ook proberen geheime sleutels te genereren tussen bijvoorbeeld Kopenhagen en Odense om bedrijven met vestigingen in beide steden in staat te stellen om kwantumveilige communicatie tot stand brengen", zegt Gehring.
We weten nog niet precies wat er gebeurt
QKD werd in 1984 als concept ontwikkeld door Bennett en Brassard, terwijl de Canadese natuurkundige en computerpionier Artur Ekert en zijn collega's in 1992 de eerste praktische implementatie van QKD uitvoerden. Hun bijdrage is cruciaal geweest voor de ontwikkeling van moderne QKD-protocollen, een reeks regels, procedures of conventies die bepalen hoe een apparaat een taak moet uitvoeren.
QKD is gebaseerd op een fundamentele onzekerheid bij het kopiëren van fotonen in een kwantumtoestand. Fotonen zijn de kwantummechanische deeltjes waaruit licht bestaat.
Fotonen in een kwantumtoestand dragen een fundamentele onzekerheid met zich mee, wat betekent dat het niet mogelijk is met zekerheid te weten of het foton één of meerdere fotonen is die in de gegeven toestand zijn verzameld, ook wel coherente fotonen genoemd. Hierdoor kan een hacker het aantal fotonen niet meten, waardoor het onmogelijk wordt een exacte kopie van een toestand te maken.
Ze hebben ook een fundamentele willekeur omdat fotonen zich tegelijkertijd in meerdere toestanden bevinden, ook wel superpositie genoemd. De superpositie van fotonen stort in een willekeurige toestand wanneer de meting plaatsvindt. Dit maakt het onmogelijk om precies te meten in welke fase ze zich bevinden terwijl ze zich in superpositie bevinden.
Samen wordt het voor een hacker bijna onmogelijk om een sleutel te kopiëren zonder fouten te introduceren, en het systeem weet of een hacker probeert in te breken en kan het onmiddellijk afsluiten. Met andere woorden:het wordt voor een hacker onmogelijk om eerst de sleutel te stelen en vervolgens de deur te ontwijken terwijl hij probeert de sleutel in het slot te steken.
CV QKD richt zich op het meten van de gladde eigenschappen van kwantumtoestanden in fotonen. Het kan worden vergeleken met het overbrengen van informatie in een stroom van alle nuances van kleuren in plaats van het stap voor stap overbrengen van informatie in elke kleur.