Revolutionært kvantegennembrud baner vejen for sikrere onlinekommunikation

Verden er et skridt tættere på at have et fuldstændig sikkert internet og et svar på den voksende trussel om cyberangreb, takket være et team af internationale forskere, der har skabt en unik prototype, som kan ændre vores kommunikation online.

Opfindelsen ledet af University of Bristol, afsløret i dag i dagbladet Videnskabens fremskridt , har potentiale til at betjene millioner af brugere, forstås at være det største nogensinde kvante netværk af sin art, og kunne bruges til at sikre folks online kommunikation, især i disse internetledede tider fremskyndet af COVID-19-pandemien.

Ved at implementere en ny teknik, at udnytte fysikkens simple love, det kan gøre meddelelser fuldstændig sikre mod aflytning og samtidig overvinde store udfordringer, som tidligere har begrænset fremskridt inden for denne lidt brugte, men meget hypede teknologi.

Hovedforfatter Dr. Siddarth Joshi, der stod i spidsen for projektet på universitetets Quantum Engineering Technology (QET) Labs, sagde:"Dette repræsenterer et massivt gennembrud og gør kvanteinternettet til et meget mere realistisk forslag. Indtil nu, at opbygge et kvantenetværk har medført enorme omkostninger, tid, og ressource, såvel som ofte at gå på kompromis med dets sikkerhed, hvilket besejrer hele formålet."

"Vores løsning er skalerbar, relativt billigt og vigtigst af alt, uindtagelig. Det betyder, at det er en spændende game changer og baner vejen for meget hurtigere udvikling og udbredt udrulning af denne teknologi."

Det nuværende internet er afhængig af komplekse koder for at beskytte information, men hackere er i stigende grad dygtige til at overliste sådanne systemer, der fører til cyberangreb over hele verden, som forårsager store brud på privatlivets fred og svindel, der løber op i billioner af pund årligt. Med sådanne omkostninger forventes at stige dramatisk, argumentet for at finde et alternativ er endnu mere overbevisende, og quantum er i årtier blevet hyldet som den revolutionerende erstatning for standard krypteringsteknikker.

Hidtil har fysikere udviklet en form for sikker kryptering, kendt som kvantenøglefordeling, hvor partikler af lys, kaldet fotoner, er overført. Processen giver to parter mulighed for at dele, uden risiko for aflytning, en hemmelig nøgle, der bruges til at kryptere og dekryptere information. Men til dato har denne teknik kun været effektiv mellem to brugere.

"Indtil nu har bestræbelser på at udvide netværket involveret omfattende infrastruktur og et system, der kræver oprettelse af en anden sender og modtager for hver ekstra bruger. Deling af meddelelser på denne måde, kendt som betroede noder, er bare ikke god nok, fordi den bruger så meget ekstra hardware, som kunne lække og ikke længere ville være helt sikker, " sagde Dr. Joshi.

Holdets kvanteteknik anvender et tilsyneladende magisk princip, kaldes forvikling, som Albert Einstein beskrev som 'uhyggelig handling på afstand'. Det udnytter kraften i to forskellige partikler placeret på separate steder, potentielt tusindvis af miles fra hinanden, at efterligne hinanden samtidigt. Denne proces giver langt større muligheder for kvantecomputere, sensorer, og informationsbehandling.

"I stedet for at skulle replikere hele kommunikationssystemet, denne seneste metode, kaldet multipleksing, splitter lyspartiklerne, udsendes af et enkelt system, så de kan modtages af flere brugere effektivt, "Sagde Dr. Joshi.

Holdet oprettede et netværk for otte brugere ved hjælp af kun otte modtagerbokse, der henviser til, at den tidligere metode ville have brug for antallet af brugere ganget mange gange - i dette tilfælde, svarende til 56 kasser. Efterhånden som brugerantallet vokser, logistikken bliver mere og mere uholdbar - for eksempel ville 100 brugere tage 9, 900 modtagerbokse.

For at demonstrere dens funktionalitet på tværs af afstand, modtagerboksene var forbundet til optiske fibre via forskellige steder i Bristol, og evnen til at transmittere beskeder via kvantekommunikation blev testet ved hjælp af byens eksisterende optiske fibernetværk.

"Udover at være fuldstændig sikker, skønheden ved denne nye teknik er dens strømlinede smidighed, som kræver minimalt med hardware, fordi det integreres med eksisterende teknologi, " sagde Dr. Joshi.

Teamets unikke system byder også på trafikstyring, leverer bedre netværkskontrol, som tillader, for eksempel, visse brugere skal prioriteres med en hurtigere forbindelse.

Mens tidligere kvantesystemer har taget år at bygge, til en pris af millioner eller endda milliarder af pund, dette netværk blev oprettet inden for måneder for mindre end £300, 000. De økonomiske fordele vokser i takt med at netværket udvides, så mens 100 brugere på tidligere kvantesystemer kan koste omkring 5 milliarder pund, Dr. Joshi mener, at multipleksing-teknologi kan reducere det til omkring 4,5 millioner pund, mindre end 1 procent.

I de senere år er kvantekryptografi blevet brugt til at beskytte transaktioner mellem banker i Kina og sikre stemmer ved et schweizisk valg. Alligevel er dens bredere anvendelse blevet holdt tilbage af omfanget af ressourcer og omkostninger.

"Med disse stordriftsfordele, udsigten til et kvanteinternet til universel brug er meget mindre langt ude. Vi har bevist konceptet og ved yderligere at forfine vores multipleksingsmetoder for at optimere og dele ressourcer i netværket, vi kunne se på at tjene ikke bare hundreder eller tusinder, men potentielt millioner af brugere i en ikke alt for fjern fremtid, " sagde Dr. Joshi.

"Konsekvenserne af COVID-19-pandemien har ikke kun vist vigtigheden og potentialet af internettet, og vores voksende afhængighed af det, men også hvordan dens absolutte sikkerhed er altafgørende. Multiplexing forviklinger kan indeholde den afgørende nøgle til at gøre denne sikkerhed til en tiltrængt realitet."