100 kilometers kvantekrypteret overførsel

Forskere ved DTU har med succes distribueret en kvantesikker nøgle ved hjælp af en metode kaldet kontinuerlig variabel kvantenøglefordeling (CV QKD). Forskerne har formået at få metoden til at fungere over en rekorddistance på 100 km - den længste distance, der nogensinde er opnået ved hjælp af CV QKD-metoden. Fordelen ved metoden er, at den kan anvendes på den eksisterende internetinfrastruktur.

Kvantecomputere truer eksisterende algoritmebaserede krypteringer, som i øjeblikket sikrer dataoverførsler mod aflytning og overvågning. De er endnu ikke stærke nok til at bryde dem, men det er et spørgsmål om tid. Hvis det lykkes en kvantecomputer at finde ud af de mest sikre algoritmer, efterlader den en åben dør til al data forbundet via internettet. Dette har fremskyndet udviklingen af ​​en ny krypteringsmetode baseret på kvantefysikkens principper.

Men for at lykkes skal forskerne overvinde en af ​​kvantemekanikkens udfordringer - at sikre konsistens over længere afstande. Kontinuerlig variabel kvantenøglefordeling har hidtil fungeret bedst over korte afstande.

"Vi har opnået en lang række forbedringer, især med hensyn til tab af fotoner undervejs. I dette eksperiment, offentliggjort i Science Advances , distribuerede vi sikkert en kvantekrypteret nøgle 100 kilometer via fiberoptisk kabel. Det er rekorddistance med denne metode,« siger Tobias Gehring, der er lektor på DTU, der sammen med en gruppe forskere på DTU sigter mod at kunne distribuere kvantekrypteret information rundt i verden via internettet.

Hemmelige nøgler fra lysets kvantetilstande

Når data skal sendes fra A til B, skal de beskyttes. Kryptering kombinerer data med en sikker nøgle fordelt mellem afsender og modtager, så begge kan få adgang til dataene. En tredjepart må ikke være i stand til at finde ud af nøglen, mens den transmitteres; ellers vil krypteringen blive kompromitteret. Nøgleudveksling er derfor afgørende for kryptering af data.

Quantum key distribution (QKD) er en avanceret teknologi, som forskere arbejder på til afgørende udvekslinger. Teknologien sikrer udveksling af kryptografiske nøgler ved at bruge lys fra kvantemekaniske partikler kaldet fotoner.

Når en afsender sender information kodet i fotoner, udnyttes fotonernes kvantemekaniske egenskaber til at skabe en unik nøgle til afsender og modtager. Andres forsøg på at måle eller observere fotoner i en kvantetilstand vil øjeblikkeligt ændre deres tilstand. Derfor er det fysisk kun muligt at måle lys ved at forstyrre signalet.

"Det er umuligt at lave en kopi af en kvantetilstand, som når du laver en kopi af et A4-ark — hvis du prøver, vil det være en ringere kopi. Det er det, der sikrer, at det ikke er muligt at kopiere nøglen. Dette kan beskytte kritisk infrastruktur såsom sundhedsjournaler og finanssektoren fra at blive hacket," forklarer Gehring.

Fungerer via eksisterende infrastruktur

CV QKD-teknologien kan integreres i den eksisterende internetinfrastruktur.

"Fordelen ved at bruge denne teknologi er, at vi kan bygge et system, der ligner det, optisk kommunikation allerede er afhængig af."

Rygraden i internettet er optisk kommunikation. Det fungerer ved at sende data via infrarødt lys, der løber gennem optiske fibre. De fungerer som lysledere lagt i kabler, hvilket sikrer, at vi kan sende data til hele verden. Data kan sendes hurtigere og over længere afstande via fiberoptiske kabler, og lyssignaler er mindre modtagelige for interferens, som på fagsprog kaldes støj.

"Det er en standardteknologi, som har været brugt længe. Så man behøver ikke opfinde noget nyt for at kunne bruge det til at distribuere kvantenøgler, og det kan gøre implementeringen væsentligt billigere. Og vi kan operere kl. stuetemperatur," forklarer Gehring. "Men CV QKD-teknologien fungerer bedst over kortere distancer. Vores opgave er at øge distancen. Og de 100 kilometer er et stort skridt i den rigtige retning."

Støj, fejl og assistance fra maskinlæring

Det lykkedes forskerne at øge afstanden ved at adressere tre faktorer, der begrænser deres system til at udveksle de kvantekrypterede nøgler over længere afstande:

Maskinlæring gav tidligere målinger af de forstyrrelser, der påvirker systemet. Støj, som disse forstyrrelser kaldes, kan for eksempel opstå fra elektromagnetisk stråling, som kan forvrænge eller ødelægge de kvantetilstande, der transmitteres. Den tidligere detektering af støjen gjorde det muligt at reducere dens tilsvarende effekt mere effektivt.

Ydermere er forskerne blevet bedre til at rette fejl, der kan opstå undervejs, som kan være forårsaget af støj, interferens eller ufuldkommenheder i hardwaren.

"I vores kommende arbejde vil vi bruge teknologien til at etablere et sikkert kommunikationsnetværk mellem danske ministerier for at sikre deres kommunikation. Vi vil også forsøge at generere hemmelige nøgler mellem f.eks. København og Odense, så virksomheder med afdelinger i begge byer kan etablere kvantesikker kommunikation," siger Gehring.

Vi ved ikke helt, hvad der sker – endnu

QKD blev udviklet som et koncept i 1984 af Bennett og Brassard, mens den canadiske fysiker og computerpioner Artur Ekert og hans kolleger udførte den første praktiske implementering af QKD i 1992. Deres bidrag har været afgørende for udviklingen af ​​moderne QKD-protokoller, et sæt af regler, procedurer eller konventioner, der bestemmer, hvordan en enhed skal udføre en opgave.

QKD er baseret på en grundlæggende usikkerhed ved kopiering af fotoner i en kvantetilstand. Fotoner er de kvantemekaniske partikler, som lyset består af.

Fotoner i en kvantetilstand har en grundlæggende usikkerhed, hvilket betyder, at det ikke er muligt med sikkerhed at vide, om fotonen er en eller flere fotoner samlet i den givne tilstand, også kaldet kohærente fotoner. Dette forhindrer en hacker i at måle antallet af fotoner, hvilket gør det umuligt at lave en nøjagtig kopi af en tilstand.

De har også en grundlæggende tilfældighed, fordi fotoner er i flere tilstande samtidigt, også kaldet superposition. Superpositionen af ​​fotoner kollapser til en tilfældig tilstand, når målingen finder sted. Dette gør det umuligt at måle præcist, hvilken fase de befinder sig i, mens de er i superposition.

Tilsammen bliver det næsten umuligt for en hacker at kopiere en nøgle uden at indføre fejl, og systemet vil vide, om en hacker forsøger at bryde ind og kan lukke ned med det samme. Med andre ord bliver det umuligt for en hacker først at stjæle nøglen og derefter undgå, at døren låser sig, mens han forsøger at sætte nøglen i låsen.

CV QKD fokuserer på at måle de glatte egenskaber af kvantetilstande i fotoner. Det kan sammenlignes med at formidle information i en strøm af alle farvernes nuancer i stedet for at formidle information trin for trin i hver farve.

Flere oplysninger: Adnan A. E. Hajomer et al, Langdistance kontinuert-variabel kvantenøglefordeling over 100 km fiber med lokal lokal oscillator, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi9474

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Danmarks Tekniske Universitet