A kínai kutatók jelentős mérföldkövet értek el az űr-föld közötti kvantumkulcs-elosztás (QKD) terén azzal, hogy bemutattak egy működőképes QKD terminált, amely feleakkora tömegű, mint egy korábbi rendszer. Miután a Tiangong-2 űrlaboratórium fedélzetén az új terminált az űrbe küldték, hogy Föld körüli pályára kerüljön, a tudósok Hefei Nemzeti Laboratórium és a Kínai Tudományos és Technológiai Egyetem (USTC) 19 kísérletből álló sorozatot végzett 23. október 2018. és 13. február 2019. között, és sikeresen továbbította a kvantumkulcsokat a műhold és négy földi állomás között, 15 különböző napon.
Más QKD-terminálokhoz hasonlóan a tanulmányban szereplő eszköz is a fény kvantum viselkedésére támaszkodik, hogy létrehozza az adatok védelméhez szükséges titkosítási kulcsokat. „A QKD a fény alapvető egységét – az egyes fotonokat – alkalmazza az információ kódolására két távoli felhasználó között” – magyarázza Jian-Wei Pan, az USTC fizikusa és egy tanulmány társszerzője. Optica. „Például az adó véletlenszerűen kódolhat információt a fotonok polarizációs állapotairól, például vízszintes, függőleges, lineáris +45° vagy lineáris –45°. A vevőnél hasonló polarizációs állapot dekódolás végezhető, és a nyers kulcsok is megszerezhetők. A hibajavítás és az adatvédelem megerősítése után a végső biztonságos kulcsok kinyerhetők.”
Jövőbiztos biztonság
Az új, karcsúsított QKD terminál jó hír a magas biztonsági követelményeket támasztó felhasználók számára. Bár a hagyományos nyilvános kulcsú kriptográfia jelenleg az egyik legjobb titkosítási módszer, azon alapul, hogy a klasszikus számítógépek egyszerűen nem tudnak ésszerű időn belül megoldani bizonyos problémákat. Ezek a megoldhatatlan matematikai függvények azonban csak akkor működnek, ha a hacker klasszikus számítógépet használ. Amint Pan rámutat, egy kvantumszámítógép a jövőben egyszerűen használható Shor algoritmusa hogy a jelenlegi legjobb kriptográfiai módszereket is feltörje.
Ha a kvantumszámítógépek meg tudják szakítani a klasszikus titkosítást, az egyik lehetséges megoldás a kvantumtitkosítás használata lenne, ha lehetséges. „A QKD információbiztonsági megoldást kínál a kulcscsere problémájára” – mondja Pan. „A kvantumklónozás nélküli tétel azt diktálja, hogy egy ismeretlen kvantumállapotot nem lehet megbízhatóan klónozni. Ha a lehallgató megpróbálja lehallgatni a QKD-t, akkor elkerülhetetlenül zavarja a kvantumjeleket, amelyeket aztán a QKD-felhasználók észlelnek.
Paul Kwiat, az Illinoisi Egyetem Urbana-Champaign (USA) fizikusa, aki nem vett részt a kutatásban, hozzáteszi, hogy a QKD elleni támadásokat az átvitel időpontjában kell végrehajtani. „Ebben az értelemben a QKD-t néha „jövőbiztosnak” nevezik – nem mindegy, hogy egy ellenfél milyen számítási teljesítményt fejleszt ki 10 év múlva (ami számítana a nyilvános kulcsú kriptográfia számára); csak az számít, hogy a lehallgató milyen képességekkel rendelkezik a kvantumkulcs kezdeti elosztása során” – mondja Kwiat, aki vezeti a kvantumkommunikációs részleget at Q-NEXT, egy kutatási konzorcium, amely a kvantuminformációs kihívásokra összpontosított.
Nappali fény korlátozás
Míg a korábbi QKD-munkákat egy másik eszközzel végezték a Micius műholdon, a legújabb tanulmányban a kutatók csökkenteni tudták a terminál tömegét azáltal, hogy integrálták a QKD hasznos terhét más rendszerekkel, például vezérlőelektronikával, optikával és teleszkópokkal. Ez nagy lépés előre, de a Hefei–USTC csapat tagjai még nem fejezték be. Az egyik kihívást említik lapjukban, hogy jelenleg nem tudják napközben működtetni a terminált. Ennek az az oka, hogy a napfény szórása olyan háttérzajt hoz létre, amely öt-hat nagyságrenddel nagyobb, mint az éjszakai kísérletekben. Ennek ellenére Pan és kollégái olyan technológiákon dolgoznak, mint a hullámhossz-optimalizálás, a spektrális szűrés és a térbeli szűrés, hogy lehetővé tegyék a nappali QKD működését.
Az eszközfüggetlen QKD közelebb hozza a feltörhetetlen kvantuminternetet
Pan kijelenti, hogy a csapatnak nagy tervei vannak, amelyek remélhetőleg egy globális műhold-föld-integrált kvantumhálózat létrehozásában érnek véget, amely világszerte szolgáltatásokat tud nyújtani a felhasználóknak. A munka sikerét követően a csapat megkezdi egy kvantumműhold-konstelláció felépítését, amely több alacsony pályán járó műholdból, egy közepes-magas pályás műholdból és a földi szálas QKD hálózatokból áll. „Úgy gondoljuk, hogy munkánk hozzá fog járulni egy vonzó kutatási területhez az optimális műhold-konstelláció megalkotásával kapcsolatban” – mondja Pan.
