Kaks sõltumatut uurimisrühma on demonstreerinud protokolli kvantkrüptitud võtmete levitamiseks meetodiga, mis jätab potentsiaalsed võrguhäkkerid kindlasti teadmatusse. Protokoll, mida nimetatakse seadmest sõltumatuks kvantvõtmejaotuseks, pakuti esmakordselt välja kolm aastakümmet tagasi, kuid seda ei olnud varem eksperimentaalselt realiseeritud tehniliste piirangute tõttu, millest teadlased on nüüdseks üle saanud.
Enamik inimesi kasutab regulaarselt krüptimist tagamaks, et Interneti kaudu edastatav teave (nt krediitkaardiandmed) ei satuks valedesse kätesse. Tänapäeva krüptimise matemaatilised alused on piisavalt tugevad, et krüptitud "võtmeid" pole võimalik murda isegi kõige kiiremate superarvutitega. Seda klassikalist krüptimist võivad tulevased kvantarvutid siiski ohustada.
Üks lahendus sellele probleemile on kvantvõtmejaotus (QKD), mis kasutab krüptimise alusena pigem footonite kvantomadusi kui matemaatilisi algoritme. Näiteks kui saatja kasutab võtme vastuvõtjale edastamiseks takerdunud footoneid, on häkkerit, kes üritab seda sidet luurata, lihtne tuvastada, kuna nende sekkumine häirib takerdumist. Seetõttu võimaldab QKD kahel osapoolel luua turvalisi salajasi võtmeid, mida nad saavad teabe jagamiseks kasutada.
Haavatavad seadmed
Aga seal on konks. Isegi kui teavet edastatakse turvalisel viisil, võib keegi siiski saada teavet võtme kohta, häkkides saatja ja/või vastuvõtja seadmeid. Kuna QKD eeldab üldiselt, et seadmed säilitavad täiusliku kalibreerimise, võib mis tahes kõrvalekaldeid olla raske tuvastada, mistõttu need võivad ohtu sattuda.
Alternatiiviks on seadmest sõltumatu QKD (DIQKD), mis nagu nimigi viitab, töötab seadme olekust sõltumatult. DIQKD töötab järgmiselt. Kahel kasutajal, traditsiooniliselt nimega Alice ja Bob, on kummalgi üks osake takerdunud paarist. Nad mõõdavad osakesi iseseisvalt, kasutades rangeid katsetingimusi. Need mõõtmised jagunevad nendeks, mida kasutatakse krüpteerimisvõtme genereerimiseks, ja mõõtmisteks, mida kasutatakse takerdumise kinnitamiseks. Kui osakesed on takerdunud, rikuvad mõõdetud väärtused Belli ebavõrdsusena tuntud tingimusi. Selle rikkumise tuvastamine tagab, et võtme genereerimise protsessi ei ole rikutud.
Kõrge täpsusega takerdumine, madal bitiveamäär
Uues uuringus, mida on kirjeldatud aastal loodus, Oxfordi ülikoolist (Ühendkuningriik), CEA-st (Prantsusmaa) ja EPFL-ist, Genfi ülikoolist ja ETH-st (kõik Šveitsis) pärit rahvusvaheline meeskond mõõtis kinni püütud strontsium-88 ioonide paari, mis paiknesid kahe meetri kaugusel. Kui need ioonid ergastatakse kõrgemasse elektroonilisse olekusse, lagunevad nad spontaanselt, kiirgades igaüks footoni. Seejärel tehakse mõlema footoni puhul ioonide põimimiseks Bell-state mõõtmine (BSM). Tagamaks, et kogu teave jääb seadistusse, suunatakse ioonid seejärel teise kohta, kus neid kasutatakse DIQKD mõõtmisprotokolli täitmiseks. Pärast seda jada korratakse.
Peaaegu kaheksa tunni jooksul lõi meeskond 1.5 miljonit takerdunud Belli paari ja kasutas neid 95 884 biti pikkuse jagatud võtme loomiseks. See oli võimalik, kuna põimumise täpsus oli kõrge, 96%, samas kui kvantbiti veamäär oli madal, 1.44%. Samal ajal andsid Belli ebavõrdsuse mõõtmised väärtuseks 2.64, mis on tunduvalt kõrgem kui klassikaline piir 2, mis tähendab, et takerdumist ei takistatud.
Eraldi katses, mida on kirjeldatud ka artiklis loodus, Saksamaa Ludwig-Maximiliani ülikooli (LMU) ja Singapuri riikliku ülikooli (NUS) teadlased kasutasid optiliselt lõksu jäänud rubiidium-87 aatomite paari, mis asusid laborites üksteisest 400 meetri kaugusel ja olid ühendatud 700 meetri pikkuse optilise kiuga. Sarnaselt teise meeskonna protokolliga on aatomid erutatud ja nende põhiolekusse lagunedes kiirgavaid footoneid kasutatakse BSM-i läbiviimiseks, mis seob kaks aatomit. Seejärel mõõdetakse aatomi olekuid, ioniseerides need teatud olekusse. Kuna ioniseeritud aatomid kaovad lõksust, lõpetab protokolli fluorestsentsi mõõtmine aatomi olemasolu kontrollimiseks.
LMU-NUS-i meeskond kordas seda järjestust 3 korda 342-tunnise mõõtmisperioodi jooksul, säilitades kogu aeg takerdumise täpsuse 75% ja kvantbiti veamäära 89.2%. Belli ebavõrdsuse mõõtmine andis tulemuseks 7.8, 2.57, mis tõestab taas, et takerdumine jäi mõõtmisperioodi jooksul puutumatuks.
Nüüd tehke see praktiliseks
Selleks, et DIQKD-st saaks praktiline krüpteerimismeetod, nõustuvad mõlemad meeskonnad, et võtmete genereerimise kiirust tuleb suurendada. Nii ka vahemaad Alice'i ja Bobi vahel. Üks võimalus süsteemi optimeerimiseks võib olla õõnsuste kasutamine footonite kogumise kiiruse parandamiseks. Teine samm oleks takerdumise genereerimise protsessi paralleelsus, kasutades paaride asemel üksikute aatomite/ioonide massiive. Lisaks genereerivad mõlemad meeskonnad footoneid lainepikkustel, millel on optilistes kiududes suur kadu: strontsiumi puhul 422 nm ja rubiidiumi puhul 780 nm. Seda saab lahendada kvantsageduse muundamise kaudu, mis nihutab footonid lähi-infrapuna piirkonda, kus telekommunikatsiooniks kasutatavate optiliste kiudude kadu on palju väiksem.
Tim van Leent, LMU doktorant ja LMU-NUS-i töö kaasautor, märgib, et Oxford-CEA-Šveitsi meeskonna loodud võtmed olid turvalised nn lõplike võtmete turvaeelduste alusel, mida ta nimetab "suureks saavutuseks ”. Ta lisab, et teise meeskonna töö kõigi vajalike sammude rakendamisel QKD protokollis loob olulise pretsedendi, juhtides tähelepanu sellele, et selles katses teatatud takerdumise kvaliteet on seni kõrgeim kaugete ainepõhiste kvantmälude vahel.
Kvantkrüptograafiline süsteem häkitud
Nicolas Sangouard, CEA füüsik, kes on projekti üks juhtivaid uurijaid, ütleb, et LMU-NUS-i teadlastel õnnestus näidata, et takerdunud olekuid saab jaotada sadade meetrite ulatuses sellise kvaliteediga, mis on põhimõtteliselt piisavalt kõrge, et seadet kasutada. -sõltumatu kvantvõtmejaotus. Ta lisab, et raskused, mida nad pidid ületama, on hea näide väljakutsetest, mida seadmest sõltumatu QKD kvantvõrguplatvormide jaoks endiselt tekitab. Ta lisab, et võtme eraldamine algandmetest on endiselt eriti keeruline, kuna katsekorduste arvust ei piisa, et mõõtmistulemustest võtit välja tõmmata.
