Forskere i Kina har opnået en stor milepæl i rum-til-jord kvantenøglefordeling (QKD) ved at demonstrere en funktionel QKD-terminal med halvdelen af massen af et tidligere system. Efter at have sendt den nye terminal ud i rummet for at kredse om Jorden ombord på Tiangong-2 rumlaboratoriet, har forskere ved Hefei National Laboratory og Kinas universitet for videnskab og teknologi (USTC) gennemførte en serie på 19 eksperimenter mellem 23. oktober 2018 og 13. februar 2019, hvor de med succes transmitterede kvantenøgler mellem satellitten og fire stationer på jorden på 15 separate dage.
Som andre QKD-terminaler er enheden i denne undersøgelse afhængig af lysets kvanteadfærd for at skabe den slags krypteringsnøgler, der er nødvendige for at beskytte data. "QKD anvender den grundlæggende lysenhed - enkelte fotoner - til at kode information mellem to fjerne brugere," forklarer Jian-Wei Pan, fysiker ved USTC og medforfatter til en artikel om forskning i Optica. "For eksempel kan senderen tilfældigt kode information om polarisationstilstande af fotoner, såsom vandret, lodret, lineær +45° eller lineær -45°. Ved modtageren kan lignende polarisationstilstandsdekodning udføres, og rånøglerne kan opnås. Efter fejlkorrektion og fortrolighedsforstærkning kan de endelige sikre nøgler udtrækkes."
Fremtidssikret sikkerhed
Den nye slanke QKD-terminal er gode nyheder for brugere med høje sikkerhedskrav. Selvom traditionel offentlig nøglekryptering i øjeblikket er et af de bedste midler til kryptering, er det afhængigt af det faktum, at klassiske computere simpelthen ikke kan løse visse problemer inden for en rimelig tid. Disse vanskelige matematiske funktioner virker dog kun, hvis hackeren bruger en klassisk computer. Som Pan påpeger, kunne en kvantecomputer i fremtiden simpelthen bruge Shor's algoritme at knække selv de bedste nuværende kryptografimetoder.
Hvis kvantecomputere kan bryde klassisk kryptering, ville en mulig løsning være at bruge kvantekryptering i stedet, når det er relevant. "QKD giver en informationssikker løsning på nøgleudvekslingsproblemet," siger Pan. "Kvante-ingen-kloningssætningen dikterer, at en ukendt kvantetilstand ikke kan klones pålideligt. Hvis aflytteren forsøger at aflytte QKD, introducerer hun uundgåeligt forstyrrelse af kvantesignalerne, som derefter vil blive opdaget af QKD-brugere."
Paul Kwiat, en fysiker ved University of Illinois i Urbana-Champaign, USA, som ikke var involveret i forskningen, tilføjer, at ethvert angreb på QKD skal foretages på tidspunktet for transmissionen. "I denne forstand beskrives QKD nogle gange som 'fremtidssikker' - det er ligegyldigt, hvilken beregningskraft en modstander udvikler 10 år fra nu (hvilket ville have betydning for kryptografi med offentlig nøgle); alt, der betyder noget, er de muligheder, en aflytter har, når kvantenøglen indledningsvist distribueres,” siger Kwiat, der leder kvantekommunikationsdivisionen at Q-NEXT, et forskningskonsortium med fokus på kvanteinformationsudfordringer.
Dagslysbegrænsning
Mens tidligere QKD-arbejde er blevet udført med en anden enhed på Micius-satellitten, var forskerne i den seneste undersøgelse i stand til at reducere terminalens masse ved at integrere QKD-nyttelasten med andre systemer såsom kontrolelektronik, optik og teleskoper. Dette er et stort skridt fremad, men medlemmer af Hefei-USTC-teamet er ikke færdige. En udfordring, de nævner i deres papir, er, at de i øjeblikket ikke kan drive terminalen om dagen. Dette skyldes, at spredning af sollys skaber baggrundsstøj, der er fem til seks størrelsesordener mere, end hvad der ses i eksperimenter udført om natten. Når det er sagt, arbejder Pan og hans kolleger på teknologier som bølgelængdeoptimering, spektralfiltrering og rumlig filtrering for at aktivere dagslys QKD-drift.
Enhedsuafhængig QKD bringer uhackbart kvanteinternet tættere på
Pan udtaler, at holdet har store planer, der forhåbentlig kulminerer i skabelsen af et globalt satellit-jord-integreret kvantenetværk, der kan levere tjenester til brugere over hele verden. Efter succesen med dette arbejde vil holdet begynde at konstruere en kvantesatellitkonstellation, der består af adskillige satellitter med lav kredsløb, en mellem-til-høj kredsløbssatellit og jordfiber-QKD-netværk. "Vi tror, at vores arbejde vil bidrage til et attraktivt forskningsområde i, hvordan man konstruerer den optimale satellitkonstellation," siger Pan.
