Két független kutatócsoport bemutatott egy protokollt a kvantumtitkosított kulcsok olyan módszerrel történő elosztására, amely biztosan homályban hagyja a potenciális hálózati hackereket. Az eszközfüggetlen kvantumkulcs-elosztásnak nevezett protokollt először három évtizeddel ezelőtt javasolták, de korábban kísérletileg nem valósították meg technikai korlátok miatt, amelyeken a kutatók mára túljutottak.
A legtöbb ember rendszeresen titkosítást használ annak biztosítására, hogy az interneten keresztül továbbított információk (például hitelkártyaadatok) ne kerüljenek illetéktelen kezekbe. A mai titkosítás matematikai alapjai elég robusztusak ahhoz, hogy a titkosított „kulcsokat” még a leggyorsabb szuperszámítógépekkel sem lehet feltörni. Ez a klasszikus titkosítás azonban veszélybe kerülhet a jövőbeli kvantumszámítógépek miatt.
A probléma egyik megoldása a kvantumkulcs-eloszlás (QKD), amely a fotonok kvantumtulajdonságait használja a titkosítás alapjául, nem pedig matematikai algoritmusokat. Például, ha egy küldő összegabalyodott fotonokat használ a kulcs átadására a vevőnek, minden hacker, aki megpróbál kémkedni a kommunikáció után, könnyen észlelhető, mert beavatkozása megzavarja az összefonódást. A QKD ezért lehetővé teszi a két fél számára, hogy biztonságos, titkos kulcsokat állítsanak elő, amelyeket információmegosztásra használhatnak fel.
Sebezhető eszközök
De van egy fogás. Még ha biztonságos módon is küldik az információkat, valaki mégis megismerheti a kulcsot a küldő és/vagy fogadó eszközeinek feltörésével. Mivel a QKD általában azt feltételezi, hogy az eszközök tökéletes kalibrációt tartanak fenn, az eltéréseket nehéz lehet észlelni, így azok könnyen sérülhetnek.
Alternatív megoldás az eszközfüggetlen QKD (DIQKD), amely a nevének megfelelően az eszköz állapotától függetlenül működik. A DIQKD a következőképpen működik. Két felhasználó, hagyományosan Alice és Bob, mindegyiknek van egy részecskéje egy összegabalyodott párból. A részecskéket egymástól függetlenül, szigorú kísérleti körülmények között mérik. Ezeket a méréseket a titkosítási kulcs generálására használt mérésekre és az összefonódás megerősítésére használt mérésekre osztják. Ha a részecskék összegabalyodnak, a mért értékek megsértik a Bell-egyenlőtlenségnek nevezett feltételeket. Ennek a szabálysértésnek a megállapítása garantálja, hogy a kulcsgenerálási folyamatot nem manipulálták.
Nagy pontosságú összefonódás, alacsony bithibaarány
Az új kutatásban, amelyet a Természet, az Oxfordi Egyetem (Egyesült Királyság), a CEA (Franciaország) és az EPFL, a Genfi Egyetem és az ETH (mindegyik Svájcban) nemzetközi csapata egy csapdába esett stroncium-88 ion páron végezte méréseit, amelyek egymástól két méteres távolságra vannak egymástól. Amikor ezeket az ionokat magasabb elektronikus állapotba gerjesztik, spontán bomlanak, és egy-egy fotont bocsátanak ki. Ezután mindkét fotonon Bell-state mérést (BSM) végeznek az ionok összefonódása érdekében. Annak érdekében, hogy minden információ a beállításon belül maradjon, az ionokat egy másik helyre vezetik, ahol a DIQKD mérési protokoll végrehajtására használják őket. Ezt követően a sorozat megismétlődik.
Közel nyolc óra alatt a csapat 1.5 millió összegabalyodott Bell-párt hozott létre, és felhasználta őket egy 95 884 bites megosztott kulcs létrehozására. Ez azért volt lehetséges, mert az összefonódás hűsége magas volt, 96%, míg a kvantumbit hibaarány alacsony, 1.44%. A Bell-egyenlőtlenség mérése eközben 2.64-es értéket produkált, ami jóval meghaladja a klasszikus 2-es határt, vagyis az összegabalyodást nem akadályozták.
Egy külön kísérletben, amelyet szintén a Természet, A német Ludwig-Maximilian Egyetem (LMU) és a Szingapúri Nemzeti Egyetem (NUS) kutatói egy pár optikai csapdába esett rubídium-87 atomot használtak egymástól 400 méterre lévő laboratóriumokban, és 700 méter hosszú optikai szállal kapcsolták össze. A másik csapat protokolljához hasonlóan az atomokat gerjesztik, és az általuk kibocsátott fotonokat, miközben visszabomlanak alapállapotukba, egy BSM végrehajtására használják, amely összefonja a két atomot. Az atomok állapotát ezután úgy mérik, hogy egy adott állapotba ionizálják őket. Mivel az ionizált atomok elvesznek a csapdából, egy fluoreszcenciamérés az atom jelenlétének ellenőrzésére teszi teljessé a protokollt.
Az LMU-NUS csapata 3-szer ismételte meg ezt a sorozatot 342 órás mérési periódus alatt, 75%-os összefonódási hűséget és 89.2%-os kvantumbit-hibaarányt mindvégig megtartva. A Bell-egyenlőtlenség mérés 7.8-es eredményt adott, ami ismét azt bizonyítja, hogy az összefonódás érintetlen maradt a mérési időszakban.
Most tegye praktikussá
Ahhoz, hogy a DIQKD praktikus titkosítási módszerré váljon, mindkét csapat egyetért abban, hogy a kulcsgenerálási arányt növelni kell. Így lesz az Alice és Bob közötti távolság is. A rendszer optimalizálásának egyik módja lehet az üregek használata a fotongyűjtési sebesség javítására. Egy másik lépés az összefonódás létrehozási folyamatának párhuzamosítása az egyes atomok/ionok tömbjei, nem pedig párok használatával. Ezen túlmenően mindkét csapat nagy veszteségű hullámhosszú fotonokat generál az optikai szálakon belül: 422 nm a stroncium és 780 nm a rubídium. Ezt kvantumfrekvencia-konverzióval lehetne megoldani, amely a fotonokat a közeli infravörös tartományba tolja, ahol a távközléshez használt optikai szálak sokkal kisebb veszteséget mutatnak.
Tim van Leent, az LMU doktorandusza és az LMU-NUS tanulmány társszerzője, megjegyzi, hogy az Oxford-CEA-Svájc csapata által generált kulcsok biztonságosak voltak az úgynevezett véges kulcsú biztonsági feltételezések szerint, amit ő „nagy eredménynek” nevez. ”. Hozzáteszi, hogy a másik csapat munkája a QKD protokoll minden szükséges lépésének megvalósításán fontos precedenst teremt, rámutatva arra, hogy az ebben a kísérletben jelentett összefonódási minőség az eddigi legmagasabb a távoli, anyagalapú kvantumemlékek között.
Feltörték a kvantumkriptográfiai rendszert
Nicolas Sangouard, a CEA egyik fizikusa, a projekt egyik vezető kutatója azt mondja, hogy az LMU-NUS kutatóinak sikerült kimutatniuk, hogy az összegabalyodott állapotok több száz méteren át oszlanak el olyan minőséggel, amely elvileg elég magas ahhoz, hogy az eszközt teljesíteni tudja. -független kvantumkulcs eloszlás. Hozzáteszi, hogy azok a nehézségek, amelyeket le kellett küzdeniük, jól illusztrálják azokat a kihívásokat, amelyeket az eszközfüggetlen QKD még mindig jelent a kvantumhálózati platformok számára. A kulcs kinyerése a nyers adatokból továbbra is különösen nehéz, teszi hozzá, mivel a kísérleti ismétlések száma nem elegendő ahhoz, hogy a mérési eredményekből kulcsot vonjunk ki.
