Kiinalaiset tutkijat ovat saavuttaneet merkittävän virstanpylvään avaruudesta maahan kvanttiavainjakaumassa (QKD) osoittamalla toimivan QKD-päätteen, jonka massa on puolet edellisen järjestelmän massasta. Lähetettyään uuden terminaalin avaruuteen kiertämään maata Tiangong-2-avaruuslaboratoriossa, tutkijat Hefein kansallinen laboratorio ja Kiinan tiede- ja teknologiayliopisto (USTC) suoritti 19 kokeen sarjan 23. lokakuuta 2018 ja 13. helmikuuta 2019 välisenä aikana ja lähetti onnistuneesti kvanttiavaimia satelliitin ja neljän maan päällä olevan aseman välillä 15 erillisenä päivänä.
Kuten muutkin QKD-päätteet, tämän tutkimuksen laite luottaa valon kvanttikäyttäytymiseen tietojen suojaamiseen tarvittavia salausavaimia. "QKD käyttää valon perusyksikköä - yksittäisiä fotoneja - koodatakseen tietoa kahden etäisen käyttäjän välillä", selittää Jian-Wei Pan, USTC:n fyysikko ja toinen kirjoittaja tutkimuksesta. optica. ”Lähetin voi esimerkiksi koodata satunnaisesti tietoa fotonien polarisaatiotiloista, kuten vaaka-, pysty-, lineaarinen +45° tai lineaarinen –45°. Vastaanottimessa voidaan suorittaa samanlainen polarisaatiotilan dekoodaus ja saada raakaavaimet. Virheenkorjauksen ja yksityisyyden vahvistamisen jälkeen lopulliset suojatut avaimet voidaan purkaa."
Tulevaisuuden kestävä turvallisuus
Uusi kapeampi QKD-pääte on hyvä uutinen käyttäjille, joilla on korkeat turvallisuusvaatimukset. Vaikka perinteinen julkisen avaimen salaus on tällä hetkellä yksi parhaista salausmenetelmistä, se perustuu siihen tosiasiaan, että klassiset tietokoneet eivät yksinkertaisesti pysty ratkaisemaan tiettyjä ongelmia kohtuullisessa ajassa. Nämä vaikeaselkoiset matemaattiset funktiot toimivat kuitenkin vain, jos hakkeri käyttää klassista tietokonetta. Kuten Pan huomauttaa, kvanttitietokone voisi tulevaisuudessa yksinkertaisesti käyttää Shorin algoritmi murtaa jopa parhaat nykyiset salausmenetelmät.
Jos kvanttitietokoneet voivat rikkoa klassisen salauksen, yksi mahdollinen ratkaisu olisi käyttää kvanttisalausta sen sijaan, jos mahdollista. "QKD tarjoaa tietoturvallisen ratkaisun avainten vaihtoongelmiin", Pan sanoo. "Kvanttikloonaamattomuuden lause sanelee, että tuntematonta kvanttitilaa ei voida kloonata luotettavasti. Jos salakuuntelija yrittää salakuunnella QKD:tä, hän väistämättä aiheuttaa häiriötä kvanttisignaaleihin, jotka sitten QKD-käyttäjät havaitsevat."
Paul Kwiat, fyysikko Illinoisin yliopistosta Urbana-Champaignissa, Yhdysvalloissa, joka ei ollut mukana tutkimuksessa, lisää, että kaikki QKD-hyökkäykset on tehtävä tartuntahetkellä. "Tässä mielessä QKD:tä kuvataan joskus "tulevaisuuden todisteeksi" – sillä ei ole väliä, minkä laskentatehon joku vastustaja kehittää 10 vuoden kuluttua (millä olisi merkitystä julkisen avaimen salaustekniikan kannalta); ratkaisevaa on vain salakuuntelijan ominaisuudet, kun kvanttiavain alun perin jaetaan", sanoo Kwiat, joka johtaa kvanttiviestintädivisioonaa at Q-SEURAAVA, tutkimuskonsortio, joka keskittyi kvanttiinformaation haasteisiin.
Päivänvalon rajoitus
Vaikka aiempi QKD-työ on tehty eri laitteella Micius-satelliitissa, viimeisimmässä tutkimuksessa tutkijat pystyivät vähentämään päätelaitteen massaa integroimalla QKD-hyötykuorman muihin järjestelmiin, kuten ohjauselektroniikkaan, optiikkaan ja teleskooppeihin. Tämä on suuri askel eteenpäin, mutta Hefei–USTC-joukkueen jäsenet eivät ole valmiita. Haasteena he mainitsevat lehdessään, että he eivät voi tällä hetkellä käyttää terminaalia päiväsaikaan. Tämä johtuu siitä, että auringonvalon sironta aiheuttaa taustamelua, joka on viidestä kuuteen suuruusluokkaa enemmän kuin yöllä tehdyissä kokeissa havaitaan. Pan ja hänen kollegansa työskentelevät kuitenkin teknologioiden, kuten aallonpituuden optimoinnin, spektrisuodatuksen ja spatiaalisen suodatuksen parissa, mahdollistaakseen päivänvalon QKD-toiminnan.
Laiteriippumaton QKD tuo hakkeroimattoman kvantti-Internetin lähemmäksi
Pan toteaa, että tiimillä on suuria suunnitelmia, jotka toivottavasti huipentuvat maailmanlaajuisen satelliitti-maa-integroidun kvanttiverkon luomiseen, joka voi tarjota palveluita käyttäjille ympäri maailmaa. Tämän työn onnistumisen jälkeen ryhmä alkaa rakentaa kvanttisatelliittikonstellaatiota, joka koostuu useista matalan kiertoradan satelliiteista, keski-korkeasta kiertoradalla olevasta satelliitista ja maakuituisista QKD-verkoista. "Uskomme, että työmme edistää houkuttelevaa tutkimusaluetta optimaalisen satelliittikonstellaation rakentamisesta", Pan sanoo.
