Hiina teadlased on saavutanud olulise verstaposti kosmosest maapinnale kvantvõtmejaotuse (QKD) vallas, demonstreerides funktsionaalset QKD terminali, mille mass on poole väiksem kui eelmises süsteemis. Pärast uue terminali saatmist kosmosesse Tiangong-2 kosmoselabori pardal ümber Maa tiirlema tiirlema. Hefei riiklik labor ja Hiina teaduse ja tehnoloogia ülikool (USTC) viis 19. oktoobrist 23 kuni 2018. veebruarini 13 läbi 2019 katse seeria, edastades edukalt kvantvõtmeid satelliidi ja nelja maapealse jaama vahel 15 erineval päeval.
Sarnaselt teistele QKD terminalidele tugineb selles uuringus olev seade andmete kaitsmiseks vajalike krüpteerimisvõtmete loomiseks valguse kvantkäitumisele. "QKD kasutab kahe kauge kasutaja vahelise teabe kodeerimiseks valguse põhiüksust – üksikuid footoneid," selgitab Jian-Wei Pan, USTC füüsik ja USA uurimistöö kaasautor. Optica. “Näiteks saab saatja juhuslikult kodeerida infot footonite polarisatsiooniseisundite kohta, nagu horisontaalne, vertikaalne, lineaarne +45° või lineaarne –45°. Vastuvõtjas saab teostada sarnast polarisatsioonioleku dekodeerimist ja hankida töötlemata võtmed. Pärast vigade parandamist ja privaatsuse suurendamist saab lõplikud turvalised võtmed välja võtta.
Tulevikukindel turvalisus
Uus õhuke QKD terminal on hea uudis kõrgete turvanõuetega kasutajatele. Kuigi traditsiooniline avaliku võtmega krüptograafia on praegu üks parimaid krüpteerimisvahendeid, tugineb see tõsiasjale, et klassikalised arvutid lihtsalt ei suuda teatud probleeme mõistliku aja jooksul lahendada. Need keerukad matemaatilised funktsioonid töötavad aga ainult siis, kui häkker kasutab klassikalist arvutit. Nagu Pan märgib, võiks tulevikus kvantarvuti lihtsalt kasutada Shor algoritm murda isegi parimad praegused krüptograafiameetodid.
Kui kvantarvutid suudavad klassikalise krüptimise katkestada, oleks üks võimalik lahendus võimaluse korral kasutada kvantkrüptimist. "QKD pakub võtmevahetuse probleemile teabeturvalist lahendust, " ütleb Pan. "Kvant-ei kloonimise teoreem ütleb, et tundmatut kvantolekut ei saa usaldusväärselt kloonida. Kui pealtkuulaja proovib QKD-d pealt kuulata, põhjustab ta paratamatult häireid kvantsignaalides, mille seejärel tuvastavad QKD kasutajad.
Paul Kwiat, USA Illinoisi ülikooli füüsik Urbana-Champaignis, kes ei osalenud uuringus, lisab, et kõik QKD-vastased rünnakud peavad toimuma ülekande ajal. "Selles mõttes kirjeldatakse QKD-d mõnikord kui "tulevikutõendit" – pole vahet, millise arvutusvõimsuse mõni vastane 10 aasta pärast arendab (mis oleks avaliku võtme krüptograafia puhul oluline); kõik, mis loeb, on pealtkuulaja võimalused kvantvõtme esmasel levitamisel,” ütleb Kwiat, kes juhib kvantkommunikatsiooni divisjoni at K-JÄRGMINE, uurimiskonsortsium, mis keskendus kvantteabe väljakutsetele.
Päevavalguse piirang
Kui eelmine QKD töö on tehtud Miciuse satelliidil erineva seadmega, siis viimases uuringus suutsid teadlased vähendada terminali massi, integreerides QKD kasuliku koormuse teiste süsteemidega, nagu juhtelektroonika, optika ja teleskoobid. See on suur samm edasi, kuid Hefei-USTC meeskonna liikmed pole veel lõpetanud. Üks väljakutse, mida nad oma dokumendis mainivad, on see, et nad ei saa praegu terminali päeva jooksul käitada. Põhjus on selles, et päikesevalguse hajumine tekitab taustamüra, mis on viis kuni kuus suurusjärku rohkem kui öösel tehtud katsetes nähtu. Sellegipoolest töötavad Pan ja tema kolleegid selliste tehnoloogiate kallal nagu lainepikkuse optimeerimine, spektraalne filtreerimine ja ruumiline filtreerimine, et võimaldada päevavalguses QKD tööd.
Seadmest sõltumatu QKD toob häkkimatu kvant-Interneti lähemale
Pan nendib, et meeskonnal on suured plaanid, mis loodetavasti kulmineeruvad ülemaailmse satelliit-maa-integreeritud kvantvõrgu loomisega, mis suudab pakkuda teenuseid kasutajatele kogu maailmas. Pärast selle töö edukust hakkab meeskond ehitama kvantsatelliitide tähtkuju, mis koosneb mitmest madala orbiidiga satelliidist, keskmise kuni kõrge orbiidiga satelliidist ja maapealsetest kiududest QKD võrkudest. "Arvame, et meie töö aitab kaasa atraktiivsele uurimisvaldkonnale, kuidas luua optimaalne satelliidi tähtkuju," ütleb Pan.
