Kvantekryptografi:Gør hacking nytteløst

Internettet vrimler med meget følsomme oplysninger. Sofistikerede krypteringsteknikker sikrer generelt, at sådant indhold ikke kan opsnappes og læses. Men i fremtiden kan højtydende kvantecomputere knække disse nøgler i løbet af få sekunder. Det er da lige så godt, at kvantemekaniske teknikker ikke kun muliggør nye, meget hurtigere algoritmer, men også overordentlig effektiv kryptografi.

Quantum key distribution (QKD) – som jargonen har det – er sikret mod angreb på kommunikationskanalen, men ikke mod angreb på eller manipulationer af selve enhederne. Enhederne kunne derfor udsende en nøgle, som producenten tidligere havde gemt og kunne tænkes at have videresendt til en hacker. Med enhedsuafhængig QKD (forkortet til DIQKD) er det en anden historie. Her er den kryptografiske protokol uafhængig af den anvendte enhed. Teoretisk kendt siden 1990'erne, er denne metode nu blevet eksperimentelt realiseret for første gang af en international forskningsgruppe ledet af LMU-fysiker Harald Weinfurter og Charles Lim fra National University of Singapore (NUS).

Til udveksling af kvantemekaniske nøgler er der forskellige tilgange tilgængelige. Enten sendes lyssignaler af senderen til modtageren, eller også bruges der sammenfiltrede kvantesystemer. I det nuværende eksperiment brugte fysikerne to kvantemekanisk sammenfiltrede rubidiumatomer, placeret i to laboratorier placeret 400 meter fra hinanden på LMU-campus. De to lokationer er forbundet via et fiberoptisk kabel på 700 meter, som løber under Geschwister Scholl-pladsen foran hovedbygningen.

For at skabe en sammenfiltring exciterer forskerne først hvert af atomerne med en laserpuls. Herefter falder atomerne spontant tilbage til deres grundtilstand og udsender derved hver sin foton. På grund af bevarelsen af ​​vinkelmomentum er atomets spin viklet ind i polariseringen af ​​dets udsendte foton. De to lyspartikler bevæger sig langs det fiberoptiske kabel til en modtagerstation, hvor en fælles måling af fotonerne indikerer en sammenfiltring af de atomare kvantehukommelser.

For at udveksle en nøgle måler Alice und Bob - som de to parter normalt kaldes af kryptografer - deres respektive atoms kvantetilstande. I hvert tilfælde sker dette tilfældigt i to eller fire retninger. Hvis anvisningerne stemmer overens, er måleresultaterne identiske på grund af sammenfiltring og kan bruges til at generere en hemmelig nøgle. Med de øvrige måleresultater kan en såkaldt Bell-ulighed evalueres. Fysiker John Stewart Bell udviklede oprindeligt disse uligheder for at teste, om naturen kan beskrives med skjulte variabler. "Det viste sig, at det ikke kan," siger Weinfurter. I DIQKD bruges testen "specifikt for at sikre, at der ikke er nogen manipulationer ved enhederne - det vil for eksempel sige, at skjulte måleresultater ikke er blevet gemt i enhederne på forhånd," forklarer Weinfurter.

I modsætning til tidligere tilgange bruger den implementerede protokol, som er udviklet af forskere ved NUS, to måleindstillinger til nøglegenerering i stedet for én:"Ved at introducere den ekstra indstilling for nøglegenerering bliver det sværere at opsnappe information, og derfor protokol kan tolerere mere støj og generere hemmelige nøgler selv for indviklede tilstande af lavere kvalitet," siger Charles Lim.

Med konventionelle QKD-metoder er sikkerheden derimod kun garanteret, når de anvendte kvanteanordninger er blevet karakteriseret tilstrækkeligt godt. "Og så brugere af sådanne protokoller er nødt til at stole på specifikationerne fra QKD-udbyderne og stole på, at enheden ikke vil skifte til en anden driftstilstand under nøglefordelingen," forklarer Tim van Leent, en af ​​de fire hovedforfattere af papir sammen med Wei Zhang og Kai Redeker. Det har været kendt i mindst et årti, at ældre QKD-enheder nemt kunne hackes udefra, fortsætter van Leent.

"Med vores metode kan vi nu generere hemmelige nøgler med ukarakteriserede og potentielt upålidelige enheder," forklarer Weinfurter. Faktisk var han i begyndelsen i tvivl om, hvorvidt eksperimentet ville virke. Men hans team beviste, at hans betænkeligheder var ubegrundede og forbedrede kvaliteten af ​​eksperimentet markant, som han glad indrømmer. Sideløbende med samarbejdsprojektet mellem LMU og NUS demonstrerede en anden forskergruppe fra University of Oxford den enhedsuafhængige nøglefordeling. For at gøre dette brugte forskerne et system bestående af to sammenfiltrede ioner i samme laboratorium. "Disse to projekter lægger grundlaget for fremtidige kvantenetværk, hvor absolut sikker kommunikation er mulig mellem fjerntliggende steder," siger Charles Lim.

Et af de næste mål er at udvide systemet til at inkorporere flere sammenfiltrede atompar. "Dette ville gøre det muligt at generere mange flere sammenfiltringstilstande, hvilket øger datahastigheden og i sidste ende nøglesikkerheden," siger van Leent. Derudover vil forskerne gerne øge rækkevidden. I det nuværende set-up var det begrænset af tabet af omkring halvdelen af ​​fotonerne i fiberen mellem laboratorierne. I andre eksperimenter var forskerne i stand til at omdanne fotonernes bølgelængde til et område med lavt tab, der var egnet til telekommunikation. På denne måde lykkedes det for blot lidt ekstra støj at øge rækkevidden af ​​kvantenetværksforbindelsen til 33 kilometer.

Forskningen blev offentliggjort i Nature . + Udforsk yderligere

Forskere opnår rekordsammenfiltring af kvantehukommelser