Uudnyttelig kommunikation bliver praktisk med nyt system i fremtidens kvanteinternet

Ingeniører fra QuTech (et samarbejde mellem TU Delft og TNO) kan levere uudnyttelig kommunikation, der er omkostningsskalerende til mange brugere ved at bruge måleenhedsuafhængig (MDI) kvantenøgledistribution (QKD). Et bemærkelsesværdigt sidetræk er, at med tilladelse fra Cisco, konventionelle internetoperaler parallelt, på samme optiske fiber fra den hollandske teleudbyder KPN. MDI-QKD er et vigtigt skridt mod et tilgængeligt kvanteinternet.

I øjeblikket er sikker kommunikation baseret på det faktum, at brud på kryptografi er langsomt ved hjælp af konventionelle computere. Dette omfatter kommunikation mellem datacentre, mellemstatslig kommunikation, eller kritisk infrastruktur som bankvirksomhed, energi og lufthavne. Nogle kommunikationslinjer kræver hemmeligholdelse ved lov eller af brugeren. Enhver angriber kan optage disse meddelelser og derefter dekryptere dem senere. Desværre, computere bliver hurtigere, endnu mere med den forestående introduktion af kvantecomputere.

Ultimativt forsvar mod aflytning

Joshua Slater, teamleder i MDI-QKD-projektet:"Vigtige konventionelle kryptografiske metoder er afhængige af, for eksempel, en offentlig og en privat nøgle. Disse to nøgler er i det væsentlige to store tal, der hører sammen. Deres sikkerhed er baseret på, at den private nøgle er svær og langsom at beregne med kun viden om den offentlige nøgle. Desværre, med introduktionen af ​​meget kraftfulde computere (såsom kvantecomputere), at beregne den private nøgle bliver trivielt let, og så kan kryptering blive usikker."

En løsning på aflytning – nu og i fremtiden – er brugen af ​​kvantenøglefordeling (QKD). I kvantekommunikation, aflytning af en besked forstyrrer transmissionen af ​​kvantenøglen. Slater:"Hvis kvantesignalerne forstyrres, brugerne ved ikke at bruge den genererede nøgle til deres sikre kommunikationslinje. Når kvantenøglen er blevet delt med den tilsigtede modtager, resten af ​​den sikre kommunikation nyder godt af 'forward secretcy':forsikringen om, at nøglefordelingen ikke kan knækkes nu eller i fremtiden."

"Desværre, nuværende kommercielt tilgængelige QKD -systemer er svære at skalere i et netværk, " forklarede Slater. "For at løse alle disse problemer, vi har bygget et måleenhedsuafhængigt (MDI) QKD-system, hvor flere brugere kan forbindes via en central node, der fungerer som en typisk telefonomstillingscentral. Vigtigt, den centrale knude behøver ikke at være tillid til. Hele systemet er designet sådan, at hackingangreb mod den centrale knude ikke kan bryde protokollens sikkerhed."

Skalerbare kvantenetværk

Slater:"En stor fordel ved vores system i forhold til andre QKD-systemer er dets skalering til mange brugere. Vores MDI-QKD kan bruges i et fysisk stjernenetværk. Forskere ved QuTech har allerede tidligere udført den første proof-of-principle demonstration af MDI-QKD, den første demonstration over udsatte fibre, og den første demonstration ved hjælp af omkostningseffektive, hyldevare."

"En betydelig præstation, som vi viser her for første gang, er, at vores kvantesignaler transmitteres over samme fiber som konventionel internettrafik, "sagde Slater." Ved hjælp af standardudstyr, som Cisco leverede og konfigurerede hos os, vi etablerede to multipleksede internetnetværk mellem lokationerne over de samme optiske fibre. Eksistensen af ​​disse to netværk påvirker ikke ydeevnen af ​​vores kvantesystem. I det væsentlige, vi har vist, hvordan vores systemer kan sameksistere, parallelt"

"Dette er en vigtig udvikling for at garantere sikkerheden for internettrafik i fremtiden, " sagde Babak Fouladi, Chief Digital and Technology Officer og medlem af direktionen hos KPN. "Jeg er glad for, at vi kan bidrage til at gøre denne indsigt praktisk ved hjælp af Hollands netværk. Løsninger som MDI-QKD skal ikke kun beskytte brugere i dag, men gør også kommunikationen så fremtidssikret som muligt."

Demonstration i Delft–Rijswijk–Haag

Det nuværende system består af tre standard telestativer, hver i en anden by i Holland. Den første 'bruger' forbundet til demo-opsætningen er kodenavnet Alice og bor i Delft. Den anden bruger, kaldet Bob, sidder i en KPN-bygning i Haag. Den centrale knude, Charlie, er placeret imellem. Hver bruger er forbundet til den centrale node med en standard optisk fiber. Desuden, brugerne og den centrale node er i stand til at kommunikere over det normale internet, enten direkte via den (samme) optiske fiber, eller indirekte via enhver internetforbindelse.

Endelig, MDI-QKD-implementeringen repræsenterer et vigtigt skridt mod et fremtidigt kvanteinternet. Netværket er designet til at kunne opgraderes i fremtiden:brugere som Alice og Bob kan opgradere deres funktionalitet (med f.eks. kvanteprocessorer, kvanterepeatere, kvanteforviklinger, kvantehukommelse, kvantecomputere, uanset hvad), mens den centrale node og resten af ​​netværket forbliver det samme. Netværket er fremtidssikret og klar til at blive opgraderet til kvantefremtiden.

"Dette er en stor milepæl, og et vigtigt grundlag for udbredelsen af ​​en national kvantenetværksinfrastruktur i Holland. Det er et af hovedmålene for Hollands National Agenda Quantum Technology, som udføres af Quantum Delta NL, " sagde Jesse Robbers, direktør for Quantum Delta NL — som modtog €615 millioner fra den hollandske regering i april i år.