Forskere opnår kvantenøglefordeling for cybersikkerhed i et nyt eksperiment

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har påvist, at avanceret kvantebaseret cybersikkerhed kan realiseres i en installeret fiberforbindelse.

Deres resultater, offentliggjort i CLEO 2023 , validere et tidligere proof-of-principle laboratorieeksperiment af ORNL-forskere i 2015.

Holdet transmitterede et kvantesignal til kvantenøglefordeling - en sikker tilgang til at dele en hemmelig nøgle - ved hjælp af en ægte lokal oscillator. En lokal oscillator dæmper virkningerne af støj spredt fra andre data transmitteret i det samme fiberoptiske netværk, og arbejdet demonstrerede sameksistens mellem kvante- og konventionelle datasignaler.

Signalet rejste på tværs af ORNLs fiberoptiske netværk kodet i kontinuerlige variabler, der beskrev egenskaberne af lyspartikler eller fotoner i amplitude og fase. Brug af kontinuerte variabler af fotoner til kodning muliggør et næsten uendeligt antal indstillinger til fordeling af tilfældighed, der kan bruges til cybersikkerhed og muliggør kompatibilitet med eksisterende klassiske kommunikationssystemer.

ORNL-teamets eksperiment slog ikke kun ny vej inden for informationssikkerhed, men udnyttede eksisterende fiberoptisk infrastruktur, som ville muliggøre en billigere og lettere anvendelse.

Eksperimentet løste store vejspærringer for at implementere kvantenøgledistribution og samtidig forbedre sikkerheden, sagde Nicholas Peters, leder af ORNL's Quantum Information Science Section og undersøgelsens hovedefterforsker.

"Quantum key distribution er en kryptografisk protokol, hvor to parter kan generere en sikker nøgle, som kun de kender," sagde Peters. "I dette eksperiment gøres dette ved at bruge lasere til at generere svage optiske impulser mellem to punkter, normalt omtalt som Alice og Bob."

Når den modtagende part måler en puls, kan målinger afsløre, om en aflytning opsnappede og korrumperede beskeden. I tidligere eksperimenter uden en ægte lokaloscillator blev denne optiske impuls transmitteret sammen med den lokale oscillator. Tidligere metoder skabte potentialet for sårbarheder, der ikke blev behandlet i nuværende bedste praksis defineret af det underliggende sikkerhedskoncept. Den nye metode er afhængig af optiske signaler genereret af uafhængige lasere ved sende- og modtagepunkterne.

"Dybest set ser vi på interferens," sagde Brian Williams, hovedforfatter af undersøgelsen og en ORNL kvanteforsker. "Det er som at kaste en sten i en sø og skabe krusninger. Det svarer til den bølgelignende natur af en foton, som vi kigger på. Hvis to sten kastes ind, skaber de underlige mønstre i vandet. Vi laver en lignende interferens -baseret måling på det kvantesignal, men kun den del, der matcher laseren, bliver detekteret. Dette kræver en meget snæver energiopløsning."

Overskydende støj eroderer hastigheden af ​​nøglen, der kan distribueres. For meget støj, og en brøkdel af den potentielle nøgle forbruges for at beskytte fortroligheden.

"Målet er at få det bedst mulige signal-til-støj-forhold," sagde Williams. "Ved at bruge en smal energilaser som din lokale oscillator, fungerer den som et filter for baggrundsstøjen og forbedrer signal-til-støj-forholdet."

Fremtidige bestræbelser vil fokusere på at reproducere eksperimentets resultater under en bredere vifte af netværksscenarier.

Flere oplysninger: Brian P. Williams et al., Kontinuerlig-variabel kvantenøglefordeling med ægte lokal oscillator, CLEO 2023 (2023). DOI:10.1364/CLEO_FS.2023.FF1A.2

Leveret af Oak Ridge National Laboratory