Kaksi riippumatonta tutkimusryhmää ovat osoittaneet protokollan kvanttisalattujen avainten jakamiseen menetelmällä, joka jättää varmasti mahdolliset verkkohakkerit hämärään. Protokollaa, jota kutsuttiin laitteesta riippumattomaksi kvanttiavaimen jakeluksi, ehdotettiin ensimmäisen kerran kolme vuosikymmentä sitten, mutta sitä ei ollut aiemmin toteutettu kokeellisesti teknisten rajoitusten vuoksi, jotka tutkijat ovat nyt voineet.
Useimmat ihmiset käyttävät salausta säännöllisesti varmistaakseen, että Internetin kautta siirrettävät tiedot (kuten luottokorttitiedot) eivät joudu vääriin käsiin. Nykypäivän salauksen matemaattinen perusta on riittävän vankka, jotta salattuja "avaimia" ei voida murtaa edes nopeimmilla supertietokoneilla. Tämä klassinen salaus voi kuitenkin olla tulevaisuuden kvanttitietokoneiden vaarassa.
Yksi ratkaisu tähän ongelmaan on kvanttiavainjakauma (QKD), joka käyttää fotonien kvanttiominaisuuksia matemaattisten algoritmien sijaan salauksen perustana. Jos lähettäjä esimerkiksi käyttää takertuneita fotoneja lähettääkseen avaimen vastaanottajalle, jokainen hakkeri, joka yrittää vakoilla tätä viestintää, on helppo havaita, koska heidän väliintulonsa häiritsee sotkeutumista. Siksi QKD antaa molemmille osapuolille mahdollisuuden luoda suojattuja, salaisia avaimia, joita he voivat käyttää tietojen jakamiseen.
Haavoittuvat laitteet
Mutta siinä on saalis. Vaikka tiedot lähetettäisiin suojatulla tavalla, joku voi silti saada avaimen tietoonsa hakkeroimalla lähettäjän ja/tai vastaanottajan laitteet. Koska QKD yleensä olettaa, että laitteet ylläpitävät täydellisen kalibroinnin, mahdolliset poikkeamat voivat olla vaikea havaita, jolloin ne voivat vaarantua.
Vaihtoehtona on laiteriippumaton QKD (DIQKD), joka nimensä mukaisesti toimii laitteen tilasta riippumatta. DIQKD toimii seuraavasti. Kahdella käyttäjällä, perinteisesti nimeltään Alice ja Bob, kummallakin on yksi kietoutuvan parin hiukkanen. He mittaavat hiukkasia itsenäisesti käyttämällä tiukkoja koeolosuhteita. Nämä mittaukset on jaettu mittauksiin, joita käytetään salausavaimen luomiseen, ja niihin, joita käytetään sotkeutumisen vahvistamiseen. Jos hiukkaset kietoutuvat, mitatut arvot rikkovat Bellin epäyhtälöiksi kutsuttuja ehtoja. Tämän rikkomuksen toteaminen takaa, että avainten luontiprosessia ei ole peukaloitu.
Korkealaatuinen takertuminen, alhainen bittivirhesuhde
Uudessa tutkimuksessa, joka on kuvattu v luonto, kansainvälinen tiimi Oxfordin yliopistosta (Yhdistynyt kuningaskunta), CEA:sta (Ranska) ja EPFL:stä, Geneven yliopistosta ja ETH:sta (kaikki Sveitsissä) suoritti mittauksensa loukkuun jääneellä strontium-88-ioniparilla, jotka olivat kahden metrin päässä toisistaan. Kun nämä ionit viritetään korkeampaan elektroniseen tilaan, ne hajoavat spontaanisti ja lähettävät yhden fotonin. Sitten molemmille fotoneille suoritetaan Bell-state -mittaus (BSM) ionien sotkemiseksi. Sen varmistamiseksi, että kaikki tiedot säilyvät asetuksissa, ionit ohjataan sitten eri paikkaan, jossa niitä käytetään DIQKD-mittausprotokollan suorittamiseen. Tämän jälkeen sarja toistetaan.
Lähes kahdeksan tunnin aikana tiimi loi 1.5 miljoonaa sotkeutunutta Bell-paria ja käytti niitä 95 884 bitin pituisen jaetun avaimen luomiseen. Tämä oli mahdollista, koska kietoutumisen tarkkuus oli korkea, 96%, kun taas kvanttibittivirheprosentti oli alhainen, 1.44%. Bellin epätasa-arvomittaukset tuottivat puolestaan arvon 2.64, joka on selvästi klassisen rajan 2 yläpuolella, mikä tarkoittaa, että sotkeutuminen ei haitannut.
Erillisessä kokeessa, joka on myös kuvattu kohdassa luonto, Saksalaisen Ludwig-Maximilianin yliopiston (LMU) ja Singaporen kansallisen yliopiston (NUS) tutkijat käyttivät optisesti loukkuun jäänyttä rubidium-87-atomia, jotka sijaitsevat laboratorioissa 400 metrin päässä toisistaan ja jotka oli yhdistetty 700 metriä pitkällä optisella kuidulla. Samoin kuin toisen ryhmän protokolla, atomit ovat innoissaan ja niiden lähettämiä fotoneja, kun ne hajoavat takaisin perustilaansa, käytetään suorittamaan BSM, joka sotkee kaksi atomia. Atomin tilat mitataan sitten ionisoimalla ne tiettyyn tilaan. Koska ionisoidut atomit katoavat ansasta, fluoresenssimittaus atomin läsnäolon tarkistamiseksi täydentää protokollan.
LMU-NUS-tiimi toisti tämän sarjan 3 342 kertaa 75 tunnin mittausjakson aikana pitäen 89.2 %:n takertumistarkkuuden ja 7.8 %:n kvanttibittivirhesuhteen koko ajan. Bell-epäyhtälömittaus antoi tulokseksi 2.57, mikä taas osoitti, että kietoutuminen pysyi muuttumattomana koko mittausjakson ajan.
Tee siitä nyt käytännöllinen
Jotta DIQKD:stä tulisi käytännöllinen salausmenetelmä, molemmat tiimit ovat yhtä mieltä siitä, että avainten luontinopeutta on nostettava. Samoin tulee olemaan Alicen ja Bobin väliset etäisyydet. Yksi tapa optimoida järjestelmä voisi olla onteloiden käyttö fotonien keräysnopeuksien parantamiseksi. Toinen askel olisi rinnakkaista kietoutumisprosessia käyttämällä yksittäisten atomien/ionien ryhmiä parien sijaan. Lisäksi molemmat ryhmät tuottavat fotoneja aallonpituuksilla, joilla on suuri häviö optisten kuitujen sisällä: 422 nm strontiumille ja 780 nm rubidiumille. Tämä voitaisiin ratkaista kvanttitaajuusmuunnoksen avulla, joka siirtää fotoneja lähi-infrapuna-alueelle, jossa tietoliikenteeseen käytetyillä optisilla kuiduilla on paljon pienempi häviö.
Tim van Leent, LMU:n tohtoriopiskelija ja LMU-NUS-paperin toinen johtava kirjoittaja, toteaa, että Oxford-CEA-Switzerland-tiimin luomat avaimet olivat turvallisia niin sanottujen äärellisten avainten turvallisuusoletusten perusteella, joita hän kutsuu "suureksi saavutukseksi". ”. Hän lisää, että toisen ryhmän työ QKD-protokollan kaikkien tarvittavien vaiheiden toteuttamiseksi muodostaa tärkeän ennakkotapauksen, ja huomauttaa, että tässä kokeessa raportoitu sotkeutumislaatu on toistaiseksi korkein kaukaisten ainepohjaisten kvanttimuistojen välillä.
Kvanttisalausjärjestelmä hakkeroitu
Nicolas Sangouard, CEA:n fyysikko, joka on yksi projektin johtavista tutkijoista, sanoo, että LMU-NUS-tutkijat onnistuivat osoittamaan, että sotkeutuneita tiloja voidaan jakaa satojen metrien päähän laadulla, joka on periaatteessa riittävän hyvä suorittaakseen laitteen -riippumaton kvanttiavaimen jakelu. Hän lisää, että vaikeudet, jotka heidän oli voitettava, ovat hyvä esimerkki haasteista, joita laiteriippumaton QKD edelleen asettaa kvanttiverkkoalustoille. Avaimen irrottaminen raakatiedoista on edelleen erityisen vaikeaa, hän lisää, koska kokeellisten toistojen määrä ei riitä avaimen poimimiseen mittaustuloksista.
