Forskere opdager genvej til satellitbaseret kvantekrypteringsnetværk

I en ny undersøgelse, forskere demonstrerer jordbaserede målinger af kvantetilstande sendt af en laser ombord på en satellit 38, 000 kilometer over Jorden. Det er første gang, at kvantetilstande er blevet målt så omhyggeligt fra så langt væk.

"Vi var ret overraskede over, hvor godt kvantetilstandene overlevede at rejse gennem den atmosfæriske turbulens til en jordstation, "sagde Christoph Marquardt fra Max Planck Institute for the Science of Light, Tyskland. "Papiret viser, at teknologi på satellitter, allerede rumsikker mod alvorlige miljøprøver, kan bruges til at opnå kvantebegrænsede målinger, hvilket muliggør et satellitkvantekommunikationsnetværk. Dette reducerer udviklingstiden kraftigt, hvilket betyder, at det kunne være muligt at have et sådant system så hurtigt som fem år fra nu. "

Et satellitbaseret kvantebaseret krypteringsnetværk ville give en ekstremt sikker måde at kryptere data sendt over lange afstande. At udvikle et sådant system på bare fem år er en ekstremt hurtig tidslinje, da de fleste satellitter kræver omkring 10 års udvikling. Normalt, hver komponent - fra computere til skruer - skal testes og godkendes til at fungere under de barske miljøforhold i rummet og skal overleve de gravitationsændringer, der blev oplevet under lanceringen.

Marquardt og hans kolleger fra divisionen af ​​Gerd Leuchs ved Max Planck Institute i Erlangen rapporterer om deres nye forskning i Optica , The Optical Society's journal for high impact research.

Brug lys til at holde data sikre

I dag, tekstbeskeder, banktransaktioner og sundhedsoplysninger er alle krypteret med teknikker baseret på matematiske algoritmer. Denne tilgang fungerer, fordi det er ekstremt svært at finde ud af den nøjagtige algoritme, der bruges til at kryptere et givet stykke data. Imidlertid, eksperter mener, at computere, der er stærke nok til at knække disse krypteringskoder, sandsynligvis vil være tilgængelige i løbet af de næste 10 til 20 år.

Den truende sikkerhedstrussel har lagt større opmærksomhed på implementering af stærkere krypteringsteknikker såsom distribution af kvantnøgler. I stedet for at stole på matematik, kvantnøglefordeling bruger egenskaber af lyspartikler kendt som kvantetilstande til at kode og sende den nøgle, der er nødvendig for at dekryptere kodede data. Hvis nogen forsøger at måle lyspartiklerne for at stjæle nøglen, det ændrer partiklernes adfærd på en måde, der advarer de påtænkte kommunikerende parter om, at nøglen er blevet kompromitteret og ikke bør bruges. Det faktum, at dette system registrerer aflytning, betyder, at sikker kommunikation er garanteret.

Selvom metoder til kvantekryptering har været under udvikling i mere end et årti, de fungerer ikke over lange afstande, fordi resttab af lys i optiske fibre, der bruges til telekommunikationsnetværk på jorden, nedbryder de følsomme kvantesignaler. Kvantesignaler kan ikke også genereres uden at ændre deres egenskaber ved at sagsøge optiske forstærkere, som det gøres for klassiske optiske data. Af denne grund, der har været et skub for nylig for at udvikle et satellitbaseret kvantekommunikationsnetværk til at forbinde jordbaserede kvantekrypteringsnetværk i forskellige storbyområder, lande og kontinenter.

Selvom de nye fund viste, at kvantekommunikationssatellitnetværk ikke behøver at blive designet fra bunden, Marquardt bemærker, at det stadig vil tage 5 til 10 år at konvertere jordbaserede systemer til kvantebaseret kryptering for at kommunikere kvantetilstande med satellitterne.

Måling af kvantetilstande

Til forsøgene, Marquardts team arbejdede tæt sammen med satellittelekommunikationsselskabet Tesat-Spacecom GmbH og den tyske rumadministration. Den tyske rumadministration har tidligere indgået aftale med Tesat-Spacecom på vegne af det tyske økonomi- og energiministerium om at udvikle en optisk kommunikationsteknologi til satellitter. Denne teknologi bruges nu kommercielt i rummet af laserkommunikationsterminaler ombord på Copernicus - Den Europæiske Unions jordobservationsprogram - og af SpaceDataHighway, det europæiske datarelaysatellitsystem.

Det viste sig, at denne satellitoptiske kommunikationsteknologi fungerer meget som kvantnøglefordelingsmetoden udviklet på Max Planck Institute. Dermed, forskerne besluttede at se, om det var muligt at måle kvantetilstande, der er kodet i en laserstråle sendt fra en af ​​satellitterne, der allerede er i rummet. I 2015 og begyndelsen af ​​2016, holdet foretog disse målinger fra en jordbaseret station ved Teide-observatoriet på Tenerife, Spanien. De skabte kvantetilstande i et område, hvor satellitten normalt ikke fungerer og var i stand til at foretage kvantebegrænsede målinger fra jorden.

"Ud fra vores målinger, vi kunne udlede, at lyset, der rejser ned til Jorden, er meget velegnet til at fungere som et kvantnøgle -distributionsnetværk, "Marquardt sagde." Vi blev overraskede, fordi systemet ikke var bygget til dette. Ingeniørerne havde gjort et fremragende stykke arbejde med at optimere hele systemet. "

Forskerne arbejder nu sammen med Tesat-Spacecom og andre i rumindustrien for at designe et opgraderet system baseret på den hardware, der allerede bruges i rummet. Dette vil kræve opgradering af laserkommunikationsdesignet, inkorporering af en kvantebaseret tilfældig talgenerator til at oprette tilfældige nøgler og integrere efterbehandling af nøglerne.

"Der er alvorlig interesse fra rumindustrien og andre organisationer for at implementere vores videnskabelige fund, "sagde Marquardt." Vi, som grundforskere, arbejder nu med ingeniører for at skabe det bedste system og sikre, at ingen detaljer overses. "