Δύο ανεξάρτητες ερευνητικές ομάδες έχουν επιδείξει ένα πρωτόκολλο για τη διανομή κλειδιών με κβαντική κρυπτογράφηση μέσω μιας μεθόδου που είναι βέβαιο ότι θα αφήσει στο σκοτάδι τους επίδοξους χάκερ του δικτύου. Το πρωτόκολλο, που ονομάζεται διανομή κβαντικού κλειδιού ανεξάρτητη συσκευή, προτάθηκε για πρώτη φορά πριν από τρεις δεκαετίες, αλλά δεν είχε υλοποιηθεί πειραματικά πριν λόγω τεχνικών περιορισμών, τους οποίους οι ερευνητές έχουν πλέον ξεπεράσει.
Οι περισσότεροι άνθρωποι χρησιμοποιούν κρυπτογράφηση τακτικά για να διασφαλίσουν ότι οι πληροφορίες που μεταφέρουν μέσω του Διαδικτύου (όπως στοιχεία πιστωτικών καρτών) δεν θα πέσουν σε λάθος χέρια. Τα μαθηματικά θεμέλια της σημερινής κρυπτογράφησης είναι αρκετά ισχυρά ώστε τα κρυπτογραφημένα «κλειδιά» να μην μπορούν να σπάσουν, ακόμη και με τους ταχύτερους υπερυπολογιστές. Αυτή η κλασική κρυπτογράφηση μπορεί, ωστόσο, να κινδυνεύει από μελλοντικούς κβαντικούς υπολογιστές.
Μια λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι η κβαντική διανομή κλειδιού (QKD), η οποία χρησιμοποιεί τις κβαντικές ιδιότητες των φωτονίων, αντί μαθηματικούς αλγόριθμους, ως βάση για την κρυπτογράφηση. Για παράδειγμα, εάν ένας αποστολέας χρησιμοποιεί μπερδεμένα φωτόνια για να μεταδώσει ένα κλειδί σε έναν δέκτη, οποιοσδήποτε χάκερ προσπαθεί να κατασκοπεύσει αυτήν την επικοινωνία θα είναι εύκολο να εντοπιστεί επειδή η παρέμβασή του θα διαταράξει τη διαπλοκή. Επομένως, το QKD επιτρέπει στα δύο μέρη να δημιουργήσουν ασφαλή, μυστικά κλειδιά που μπορούν να χρησιμοποιήσουν για την ανταλλαγή πληροφοριών.
Ευάλωτες συσκευές
Αλλά υπάρχει ένα πιάσιμο. Ακόμα κι αν οι πληροφορίες αποστέλλονται με ασφαλή τρόπο, κάποιος θα μπορούσε να αποκτήσει γνώση του κλειδιού παραβιάζοντας τις συσκευές του αποστολέα ή/και του παραλήπτη. Επειδή το QKD γενικά υποθέτει ότι οι συσκευές διατηρούν τέλεια βαθμονόμηση, τυχόν αποκλίσεις μπορεί να είναι δύσκολο να εντοπιστούν, με αποτέλεσμα να είναι επιρρεπείς σε κίνδυνο.
Μια εναλλακτική είναι το QKD ανεξάρτητα από τη συσκευή (DIQKD), το οποίο όπως υποδηλώνει το όνομά του λειτουργεί ανεξάρτητα από την κατάσταση της συσκευής. Το DIQKD λειτουργεί ως εξής. Δύο χρήστες, που παραδοσιακά ονομάζονται Alice και Bob, έχουν ο καθένας ένα σωματίδιο ενός μπερδεμένου ζεύγους. Μετρούν τα σωματίδια ανεξάρτητα χρησιμοποιώντας ένα αυστηρό σύνολο πειραματικών συνθηκών. Αυτές οι μετρήσεις χωρίζονται σε αυτές που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία κλειδιού για κρυπτογράφηση και σε αυτές που χρησιμοποιούνται για την επιβεβαίωση της εμπλοκής. Εάν τα σωματίδια είναι μπερδεμένα, οι μετρούμενες τιμές θα παραβιάσουν συνθήκες γνωστές ως ανισότητες Bell. Η διαπίστωση αυτής της παραβίασης εγγυάται ότι η διαδικασία δημιουργίας κλειδιών δεν έχει παραβιαστεί.
Εμπλοκή υψηλής πιστότητας, χαμηλό ποσοστό σφαλμάτων bit
Στη νέα έρευνα, η οποία περιγράφεται στο Φύση, μια διεθνής ομάδα από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης (Ηνωμένο Βασίλειο), το CEA (Γαλλία) και το EPFL, το Πανεπιστήμιο της Γενεύης και το ETH (όλα στην Ελβετία) πραγματοποίησαν τις μετρήσεις τους σε ένα ζεύγος παγιδευμένων ιόντων στροντίου-88 σε απόσταση δύο μέτρων μεταξύ τους. Όταν αυτά τα ιόντα διεγείρονται σε μια υψηλότερη ηλεκτρονική κατάσταση, διασπώνται αυθόρμητα, εκπέμποντας ένα φωτόνιο το καθένα. Στη συνέχεια εκτελείται μια μέτρηση κατάστασης κουδουνιού (BSM) και στα δύο φωτόνια για να εμπλακούν τα ιόντα. Για να διασφαλιστεί ότι όλες οι πληροφορίες διατηρούνται εντός της εγκατάστασης, τα ιόντα στη συνέχεια οδηγούνται σε διαφορετική θέση όπου χρησιμοποιούνται για την εκτέλεση του πρωτοκόλλου μέτρησης DIQKD. Μετά από αυτό η σειρά επαναλαμβάνεται.
Σε μια περίοδο σχεδόν οκτώ ωρών, η ομάδα δημιούργησε 1.5 εκατομμύρια μπερδεμένα ζεύγη Bell και τα χρησιμοποίησε για να δημιουργήσει ένα κοινό κλειδί μήκους 95 884 bit. Αυτό ήταν δυνατό επειδή η πιστότητα της εμπλοκής ήταν υψηλή, στο 96%, ενώ το ποσοστό σφαλμάτων κβαντικών bit ήταν χαμηλό, στο 1.44%. Οι μετρήσεις της ανισότητας Bell, εν τω μεταξύ, παρήγαγαν μια τιμή 2.64, πολύ πάνω από το κλασικό όριο του 2, που σημαίνει ότι η εμπλοκή δεν παρεμποδίστηκε.
Σε ένα ξεχωριστό πείραμα, που επίσης περιγράφεται στο Φύση, Οι ερευνητές του γερμανικού Πανεπιστημίου Ludwig-Maximilian (LMU) και του Εθνικού Πανεπιστημίου της Σιγκαπούρης (NUS) χρησιμοποίησαν ένα ζευγάρι οπτικά παγιδευμένων ατόμων ρουβιδίου-87 που βρίσκονται σε εργαστήρια σε απόσταση 400 μέτρων μεταξύ τους και συνδέονται με μια οπτική ίνα μήκους 700 μέτρων. Παρόμοια με το πρωτόκολλο της άλλης ομάδας, τα άτομα διεγείρονται και τα φωτόνια που εκπέμπουν καθώς αποσυντίθενται πίσω στη βασική τους κατάσταση χρησιμοποιούνται για την εκτέλεση ενός BSM που εμπλέκει τα δύο άτομα. Οι καταστάσεις του ατόμου στη συνέχεια μετρώνται με ιονισμό τους σε μια συγκεκριμένη κατάσταση. Εφόσον τα ιονισμένα άτομα χάνονται από την παγίδα, μια μέτρηση φθορισμού για τον έλεγχο της παρουσίας του ατόμου ολοκληρώνει το πρωτόκολλο.
Η ομάδα LMU-NUS επανέλαβε αυτήν την ακολουθία 3 342 φορές σε μια περίοδο μέτρησης 75 ωρών, διατηρώντας μια πιστότητα εμπλοκής 89.2% και ένα ποσοστό σφάλματος κβαντικών δυαδικών ψηφίων 7.8% καθ' όλη τη διάρκεια. Η μέτρηση της ανισότητας Bell έδωσε αποτέλεσμα 2.57, αποδεικνύοντας και πάλι ότι η εμπλοκή παρέμεινε ανέπαφη κατά την περίοδο μέτρησης.
Τώρα κάντε το πρακτικό
Για να γίνει το DIQKD μια πρακτική μέθοδος κρυπτογράφησης, και οι δύο ομάδες συμφωνούν ότι οι ρυθμοί παραγωγής κλειδιών θα πρέπει να αυξηθούν. Το ίδιο και οι αποστάσεις μεταξύ Αλίκης και Μπομπ. Ένας τρόπος βελτιστοποίησης του συστήματος μπορεί να είναι η χρήση κοιλοτήτων για τη βελτίωση των ρυθμών συλλογής φωτονίων. Ένα άλλο βήμα θα ήταν ο παραλληλισμός της διαδικασίας δημιουργίας εμπλοκής χρησιμοποιώντας συστοιχίες μεμονωμένων ατόμων/ιόντων, αντί για ζεύγη. Επιπλέον, και οι δύο ομάδες παράγουν φωτόνια σε μήκη κύματος με υψηλές απώλειες εντός των οπτικών ινών: 422 nm για το στρόντιο και 780 nm για το ρουβίδιο. Αυτό θα μπορούσε να αντιμετωπιστεί μέσω της μετατροπής κβαντικής συχνότητας, η οποία μετατοπίζει τα φωτόνια στην περιοχή του εγγύς υπέρυθρου, όπου οι οπτικές ίνες που χρησιμοποιούνται για τηλεπικοινωνίες παρουσιάζουν πολύ μικρότερη απώλεια.
Τιμ βαν Λεντ, φοιτητής διδακτορικού στο LMU και συν-επικεφαλής της εργασίας LMU-NUS, σημειώνει ότι τα κλειδιά που δημιούργησε η ομάδα Oxford-CEA-Switzerland ήταν ασφαλή με τις λεγόμενες υποθέσεις ασφάλειας πεπερασμένων κλειδιών, τις οποίες αποκαλεί «ένα σπουδαίο επίτευγμα ". Προσθέτει ότι η εργασία της άλλης ομάδας για την εφαρμογή όλων των απαραίτητων βημάτων στο πρωτόκολλο QKD δημιουργεί ένα σημαντικό προηγούμενο, επισημαίνοντας ότι η ποιότητα εμπλοκής που αναφέρθηκε σε αυτό το πείραμα είναι η υψηλότερη μέχρι στιγμής μεταξύ μακρινών κβαντικών μνημών που βασίζονται στην ύλη.
Παραβιάστηκε το σύστημα κβαντικής κρυπτογραφίας
Νικολά Σανγκουάρ, ένας φυσικός στο CEA που είναι ένας από τους κύριους ερευνητές του έργου, λέει ότι οι ερευνητές του LMU-NUS κατάφεραν να δείξουν ότι οι μπερδεμένες καταστάσεις μπορούν να κατανεμηθούν σε εκατοντάδες μέτρα με μια ποιότητα που είναι, καταρχήν, αρκετά υψηλή για να εκτελέσει συσκευή -ανεξάρτητη διανομή κβαντικού κλειδιού. Προσθέτει ότι οι δυσκολίες που έπρεπε να ξεπεράσουν χρησιμεύουν ως μια καλή απεικόνιση των προκλήσεων που εξακολουθεί να θέτει το QKD ανεξάρτητα από συσκευές για τις πλατφόρμες κβαντικής δικτύωσης. Η εξαγωγή ενός κλειδιού από τα ακατέργαστα δεδομένα παραμένει ιδιαίτερα δύσκολη, προσθέτει, καθώς ο αριθμός των πειραματικών επαναλήψεων δεν είναι αρκετός για να εξαχθεί ένα κλειδί από τα αποτελέσματα των μετρήσεων.
