Højhastigheds kvantekryptering kan hjælpe med at sikre det fremtidige internet

Nylige fremskridt inden for kvantecomputere kan snart give hackere adgang til maskiner, der er stærke nok til at knække selv de hårdeste standard sikkerhedskoder for internettet. Med disse koder brudt, alle vores online data - fra journaler til banktransaktioner - kan være sårbare over for angreb.

For at kæmpe tilbage mod den fremtidige trussel, forskere har de samme mærkelige egenskaber, der driver kvantecomputere til at skabe teoretisk hack-sikre former for kvantedatakryptering.

Og nu, disse kvantekrypteringsteknikker kan være et skridt tættere på stor anvendelse takket være et nyt system udviklet af forskere ved Duke University, Ohio State University og Oak Ridge National Laboratory. Deres system er i stand til at oprette og distribuere krypteringskoder med megabit pr. Sekund hastigheder, hvilket er fem til 10 gange hurtigere end eksisterende metoder og på niveau med nuværende internethastigheder, når flere systemer køres parallelt.

Forskerne demonstrerer, at teknikken er sikker mod almindelige angreb, selv i lyset af udstyrsfejl, der kan åbne lækager.

"Vi har nu sandsynligvis en fungerende kvantecomputer, der muligvis kan begynde at bryde de eksisterende kryptografiske koder i den nærmeste fremtid, "sagde Daniel Gauthier, professor i fysik ved Ohio State University. "Vi er virkelig nødt til at tænke hårdt nu på forskellige teknikker, som vi kunne bruge til at forsøge at sikre internettet."

Resultaterne vises online 24. november i Videnskab fremskridt .

Til en hacker, vores online køb, banktransaktioner og journaler ligner alle gibberish på grund af chiffer kaldet krypteringsnøgler. Personlige oplysninger, der sendes over internettet, krypteres først ved hjælp af en af ​​disse nøgler, og derefter afkodet af modtageren ved hjælp af den samme nøgle.

For at dette system fungerer begge parter skal have adgang til den samme nøgle, og det skal holdes hemmeligt. Quantum key distribution (QKD) drager fordel af en af ​​de grundlæggende egenskaber ved kvantemekanik - måling af små stykker stof som elektroner eller fotoner ændrer automatisk deres egenskaber - til at udveksle nøgler på en måde, der straks advarer begge parter om eksistensen af ​​et sikkerhedsbrud .

Selvom QKD først blev teoretiseret i 1984 og implementeret kort tid efter, teknologierne til at understøtte dets omfattende anvendelse kommer først nu online. Virksomheder i Europa sælger nu laserbaserede systemer til QKD, og i et højt omtalt arrangement sidste sommer, Kina brugte en satellit til at sende en kvantnøgle til to landbaserede stationer, der ligger 1200 km fra hinanden.

Problemet med mange af disse systemer, sagde Nurul Taimur Islam, en kandidatstuderende i fysik ved Duke, er, at de kun kan overføre nøgler med relativt lave hastigheder - mellem tiere til hundredvis af kilobit i sekundet - som er for langsomme til de fleste praktiske anvendelser på internettet.

"Med disse satser, kvantesikre krypteringssystemer kan ikke understøtte nogle grundlæggende daglige opgaver, såsom hosting af et krypteret telefonopkald eller videostreaming, "Sagde islam.

Ligesom mange QKD -systemer, Islams nøglesender bruger en svækket laser til at kode oplysninger om individuelle fotoner af lys. Men de fandt en måde at pakke mere information på hver foton, gør deres teknik hurtigere.

Ved at justere det tidspunkt, hvor fotonet frigives, og en egenskab ved fotonen kaldet fasen, deres system kan kode to bits information pr. foton i stedet for en. Dette trick, parret med højhastighedsdetektorer udviklet af Clinton Cahall, kandidatstuderende i el- og computerteknik, og Jungsang Kim, professor i el- og computerteknik hos Duke, giver deres system beføjelse til at overføre nøgler fem til ti gange hurtigere end andre metoder.

"Det ændrede disse yderligere egenskaber ved fotonen, der tillod os at næsten fordoble den sikre nøglesats, som vi var i stand til at opnå, hvis vi ikke havde gjort det, "sagde Gauthier, der begyndte arbejdet som professor i fysik ved Duke, inden han flyttede til OSU.

I en perfekt verden, QKD ville være helt sikkert. Ethvert forsøg på at hacke en nøgleudveksling ville efterlade fejl på transmissionen, der let kunne ses af modtageren. Men virkelige implementeringer af QKD kræver ufuldkommen udstyr, og disse ufuldkommenheder åbner lækager, som hackere kan udnytte.

Forskerne karakteriserede omhyggeligt begrænsningerne ved hvert udstyr, de brugte. De arbejdede derefter med Charles Lim, i øjeblikket professor i elektrisk og computerteknik ved National University of Singapore, at indarbejde disse eksperimentelle fejl i teorien.

"Vi ville identificere alle eksperimentelle fejl i systemet, og inkludere disse fejl i teorien, så vi kunne sikre, at vores system er sikkert, og der ikke er et potentielt sidekanalangreb, "Sagde islam.

Selvom deres sender kræver nogle specialdele, alle komponenterne er i øjeblikket kommercielt tilgængelige. Krypteringsnøgler, der er kodet i fotoner af lys, kan sendes over eksisterende optiske fiberlinjer, der graver under byer, hvilket gør det relativt ligetil at integrere deres sender og modtager i den nuværende internetinfrastruktur.

"Alt dette udstyr, bortset fra single-foton detektorer, findes i telekommunikationsindustrien, og med noget teknik kunne vi sandsynligvis passe hele senderen og modtageren i en boks så stor som en computer -CPU, "Sagde islam.