Ερευνητές στην Κίνα πέτυχαν ένα σημαντικό ορόσημο στη διανομή κβαντικού κλειδιού από το διάστημα στο έδαφος (QKD) επιδεικνύοντας ένα λειτουργικό τερματικό QKD με τη μισή μάζα ενός προηγούμενου συστήματος. Αφού έστειλε το νέο τερματικό στο διάστημα για να τεθεί σε τροχιά γύρω από τη Γη στο διαστημικό εργαστήριο Tiangong-2, οι επιστήμονες στο Εθνικό Εργαστήριο Hefei και την Πανεπιστήμιο Επιστημών και Τεχνολογίας της Κίνας (USTC) διεξήγαγε μια σειρά από 19 πειράματα μεταξύ 23 Οκτωβρίου 2018 και 13 Φεβρουαρίου 2019, μεταδίδοντας με επιτυχία κβαντικά κλειδιά μεταξύ του δορυφόρου και τεσσάρων σταθμών στο έδαφος σε 15 ξεχωριστές ημέρες.
Όπως και άλλα τερματικά QKD, η συσκευή σε αυτή τη μελέτη βασίζεται στην κβαντική συμπεριφορά του φωτός για τη δημιουργία των ειδών κλειδιών κρυπτογράφησης που απαιτούνται για την προστασία των δεδομένων. «Το QKD χρησιμοποιεί τη θεμελιώδη μονάδα φωτός - μεμονωμένα φωτόνια - για να κωδικοποιήσει πληροφορίες μεταξύ δύο απομακρυσμένων χρηστών», εξηγεί ο Jian-Wei Pan, φυσικός στο USTC και συν-συγγραφέας μιας εργασίας για την έρευνα στο Optica. «Για παράδειγμα, ο πομπός μπορεί τυχαία να κωδικοποιήσει πληροφορίες σχετικά με τις καταστάσεις πόλωσης των φωτονίων, όπως οριζόντια, κατακόρυφη, γραμμική +45° ή γραμμική –45°. Στον δέκτη, μπορεί να εκτελεστεί παρόμοια αποκωδικοποίηση κατάστασης πόλωσης και να ληφθούν τα ακατέργαστα κλειδιά. Μετά τη διόρθωση σφαλμάτων και την ενίσχυση του απορρήτου, τα τελικά κλειδιά ασφαλείας μπορούν να εξαχθούν."
Ασφάλεια για το μέλλον
Το νέο περιορισμένο τερματικό QKD είναι καλά νέα για χρήστες με υψηλές απαιτήσεις ασφαλείας. Αν και η παραδοσιακή κρυπτογραφία δημόσιου κλειδιού είναι επί του παρόντος ένα από τα καλύτερα μέσα κρυπτογράφησης, βασίζεται στο γεγονός ότι οι κλασικοί υπολογιστές απλά δεν μπορούν να λύσουν ορισμένα προβλήματα σε εύλογο χρονικό διάστημα. Ωστόσο, αυτές οι δυσεπίλυτες μαθηματικές συναρτήσεις λειτουργούν μόνο εάν ο χάκερ χρησιμοποιεί έναν κλασικό υπολογιστή. Όπως επισημαίνει ο Παν, ένας κβαντικός υπολογιστής στο μέλλον θα μπορούσε απλώς να χρησιμοποιήσει Αλγόριθμος Shor να σπάσει ακόμη και τις καλύτερες σύγχρονες μεθόδους κρυπτογράφησης.
Εάν οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να σπάσουν την κλασική κρυπτογράφηση, μια πιθανή λύση θα ήταν η χρήση κβαντικής κρυπτογράφησης αντ 'αυτού, όταν ισχύει. «Το QKD παρέχει μια λύση με ασφάλεια πληροφοριών στο πρόβλημα της ανταλλαγής κλειδιών», λέει ο Παν. «Το θεώρημα της κβαντικής μη-κλωνοποίησης υπαγορεύει ότι μια άγνωστη κβαντική κατάσταση δεν μπορεί να κλωνοποιηθεί αξιόπιστα. Εάν ο υποκλοπής προσπαθήσει να κρυφακούσει σε QKD, αναπόφευκτα εισάγει διαταραχή στα κβαντικά σήματα, τα οποία στη συνέχεια θα ανιχνευθούν από τους χρήστες του QKD».
Paul Kwiat, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στο Urbana-Champaign, ΗΠΑ, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα, προσθέτει ότι οποιεσδήποτε επιθέσεις στο QKD πρέπει να γίνονται κατά τη στιγμή της μετάδοσης. «Με αυτή την έννοια, το QKD μερικές φορές περιγράφεται ως «μελλοντική απόδειξη» – δεν έχει σημασία ποια υπολογιστική ισχύς θα αναπτύξει κάποιος αντίπαλος σε 10 χρόνια από τώρα (κάτι που θα είχε σημασία για την κρυπτογράφηση δημόσιου κλειδιού). το μόνο που έχει σημασία είναι οι δυνατότητες που έχει ένας ακροατής όταν διανέμεται αρχικά το κβαντικό κλειδί», λέει ο Kwiat, ο οποίος ηγείται του τμήματος κβαντικών επικοινωνιών at Q-NEXT, μια ερευνητική κοινοπραξία επικεντρωμένη στις προκλήσεις κβαντικής πληροφορίας.
Περιορισμός φωτός της ημέρας
Ενώ προηγούμενες εργασίες QKD είχαν διεξαχθεί με διαφορετική συσκευή στον δορυφόρο Micius, στην τελευταία μελέτη οι ερευνητές κατάφεραν να μειώσουν τη μάζα του τερματικού ενσωματώνοντας το ωφέλιμο φορτίο QKD με άλλα συστήματα όπως ηλεκτρονικά ελέγχου, οπτικά και τηλεσκόπια. Αυτό είναι ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός, αλλά τα μέλη της ομάδας Hefei–USTC δεν έχουν τελειώσει. Μια πρόκληση που αναφέρουν στο έγγραφό τους είναι ότι επί του παρόντος δεν μπορούν να λειτουργήσουν το τερματικό κατά τη διάρκεια της ημέρας. Αυτό οφείλεται στο ότι η διασπορά του ηλιακού φωτός δημιουργεί θόρυβο φόντου που είναι πέντε έως έξι τάξεις μεγέθους περισσότερο από αυτό που παρατηρείται σε πειράματα που διεξάγονται τη νύχτα. Τούτου λεχθέντος, ο Pan και οι συνεργάτες του εργάζονται σε τεχνολογίες όπως η βελτιστοποίηση μήκους κύματος, το φασματικό φιλτράρισμα και το χωρικό φιλτράρισμα για να επιτρέψουν τη λειτουργία QKD στο φως της ημέρας.
Το QKD ανεξάρτητο από συσκευές φέρνει πιο κοντά το κβαντικό Διαδίκτυο που δεν μπορεί να παραβιαστεί
Ο Pan δηλώνει ότι η ομάδα έχει μεγάλα σχέδια, που ελπίζουμε ότι καταλήγουν στη δημιουργία ενός παγκόσμιου κβαντικού δικτύου ενσωματωμένου σε δορυφόρο-εδάφους που μπορεί να παρέχει υπηρεσίες σε χρήστες σε όλο τον κόσμο. Μετά την επιτυχία αυτής της εργασίας, η ομάδα θα αρχίσει να κατασκευάζει έναν κβαντικό δορυφορικό αστερισμό που αποτελείται από αρκετούς δορυφόρους χαμηλής τροχιάς, έναν δορυφόρο μεσαίας προς υψηλή τροχιά και τα δίκτυα QKD ινών εδάφους. «Πιστεύουμε ότι η δουλειά μας θα συμβάλει σε μια ελκυστική περιοχή έρευνας για τον τρόπο κατασκευής του βέλτιστου δορυφορικού αστερισμού», λέει ο Παν.
