Dua kelompok penelitian independen telah mendemonstrasikan protokol untuk mendistribusikan kunci terenkripsi kuantum melalui metode yang pasti akan membuat calon peretas jaringan tidak mengetahui apa-apa. Protokol tersebut, yang dijuluki distribusi kunci kuantum independen perangkat, pertama kali diusulkan tiga dekade lalu tetapi belum pernah direalisasikan secara eksperimental sebelumnya karena keterbatasan teknis, yang kini telah diatasi oleh para peneliti.
Kebanyakan orang menggunakan enkripsi secara teratur untuk memastikan bahwa informasi yang mereka transfer melalui Internet (seperti rincian kartu kredit) tidak jatuh ke tangan yang salah. Fondasi matematis dari enkripsi saat ini cukup kuat sehingga “kunci” yang dienkripsi tidak dapat dipecahkan, bahkan dengan superkomputer tercepat sekalipun. Namun, enkripsi klasik ini mungkin berisiko terjadi pada komputer kuantum di masa depan.
Salah satu solusi untuk masalah ini adalah distribusi kunci kuantum (QKD), yang menggunakan sifat kuantum foton, bukan algoritma matematika, sebagai dasar enkripsi. Misalnya, jika pengirim menggunakan foton yang terjerat untuk mengirimkan kunci ke penerima, peretas mana pun yang mencoba memata-matai komunikasi ini akan mudah dideteksi karena intervensi mereka akan mengganggu keterikatan tersebut. Oleh karena itu QKD memungkinkan kedua pihak untuk menghasilkan kunci rahasia yang aman yang dapat mereka gunakan untuk berbagi informasi.
Perangkat yang rentan
Tapi ada kendalanya. Sekalipun informasi dikirim dengan cara yang aman, seseorang masih dapat memperoleh pengetahuan tentang kunci tersebut dengan meretas perangkat pengirim dan/atau penerima. Karena QKD umumnya berasumsi bahwa perangkat menjaga kalibrasi sempurna, penyimpangan apa pun akan sulit dideteksi, sehingga rentan untuk dikompromikan.
Alternatifnya adalah QKD independen perangkat (DIQKD), yang sesuai dengan namanya beroperasi secara independen, apa pun status perangkatnya. DIQKD bekerja sebagai berikut. Dua pengguna, yang secara tradisional bernama Alice dan Bob, masing-masing memiliki satu partikel dari pasangan yang terjerat. Mereka mengukur partikel secara independen menggunakan serangkaian kondisi eksperimental yang ketat. Pengukuran ini dibagi menjadi pengukuran yang digunakan untuk menghasilkan kunci enkripsi dan pengukuran yang digunakan untuk mengonfirmasi keterikatan. Jika partikel-partikel tersebut terjerat, nilai yang diukur akan melanggar kondisi yang dikenal sebagai ketidaksetaraan Bell. Penetapan pelanggaran ini menjamin bahwa proses pembuatan kunci tidak dirusak.
Keterikatan fidelitas tinggi, tingkat kesalahan bit rendah
Dalam penelitian baru, yang dijelaskan dalam Alam, tim internasional dari Universitas Oxford (Inggris), CEA (Prancis) dan EPFL, Universitas Jenewa dan ETH (semuanya di Swiss) melakukan pengukuran pada sepasang ion strontium-88 yang terperangkap dengan jarak dua meter. Ketika ion-ion ini tereksitasi ke keadaan elektronik yang lebih tinggi, mereka secara spontan meluruh, masing-masing mengeluarkan satu foton. Pengukuran Bell-state (BSM) kemudian dilakukan pada kedua foton untuk menjerat ion. Untuk memastikan semua informasi disimpan dalam pengaturan, ion-ion tersebut kemudian dipandu ke lokasi berbeda di mana ion-ion tersebut digunakan untuk melakukan protokol pengukuran DIQKD. Setelah ini urutannya diulangi.
Selama periode hampir delapan jam, tim menciptakan 1.5 juta pasangan Bell yang terjerat dan menggunakannya untuk menghasilkan kunci bersama sepanjang 95 bit. Hal ini dimungkinkan karena tingkat ketelitian keterjeratan tinggi, yaitu 884%, sedangkan tingkat kesalahan bit kuantum rendah, yaitu 96%. Sedangkan pengukuran ketimpangan Bell menghasilkan nilai 1.44, jauh di atas batas klasik sebesar 2.64, yang berarti keterjeratan tidak terhambat.
Dalam percobaan terpisah, juga dijelaskan dalam Alam, para peneliti di Universitas Ludwig-Maximilian (LMU) Jerman dan Universitas Nasional Singapura (NUS) menggunakan sepasang atom rubidium-87 yang terperangkap secara optik yang terletak di laboratorium dengan jarak 400 meter dan dihubungkan oleh serat optik sepanjang 700 meter. Mirip dengan protokol tim lain, atom-atom tersebut tereksitasi dan foton yang dipancarkannya saat meluruh kembali ke keadaan dasarnya digunakan untuk melakukan BSM yang menjerat kedua atom tersebut. Keadaan atom kemudian diukur dengan mengionisasinya ke keadaan tertentu. Karena atom terionisasi hilang dari perangkap, pengukuran fluoresensi untuk memeriksa keberadaan atom melengkapi protokol.
Tim LMU-NUS mengulangi urutan ini 3 342 kali selama periode pengukuran 75 jam, mempertahankan fidelitas keterjeratan sebesar 89.2% dan tingkat kesalahan bit kuantum sebesar 7.8%. Pengukuran ketidaksetaraan Bell memberikan hasil sebesar 2.57, sekali lagi membuktikan bahwa keterjeratan tetap utuh selama periode pengukuran.
Sekarang buatlah menjadi praktis
Agar DIQKD menjadi metode enkripsi yang praktis, kedua tim sepakat bahwa tingkat pembangkitan kunci perlu ditingkatkan. Begitu juga dengan jarak antara Alice dan Bob. Salah satu cara untuk mengoptimalkan sistem adalah dengan menggunakan rongga untuk meningkatkan laju pengumpulan foton. Langkah lainnya adalah memparalelkan proses pembangkitan keterjeratan dengan menggunakan susunan atom/ion tunggal, bukan berpasangan. Selain itu, kedua tim menghasilkan foton pada panjang gelombang dengan kehilangan tinggi di dalam serat optik: 422 nm untuk strontium dan 780 nm untuk rubidium. Hal ini dapat diatasi melalui konversi frekuensi kuantum, yang menggeser foton ke wilayah inframerah-dekat di mana serat optik yang digunakan untuk telekomunikasi menunjukkan kehilangan yang jauh lebih rendah.
Tim van Leent, seorang mahasiswa PhD di LMU dan salah satu penulis utama makalah LMU-NUS, mencatat bahwa kunci yang dihasilkan tim Oxford-CEA-Swiss aman berdasarkan apa yang disebut asumsi keamanan kunci terbatas, yang ia sebut “pencapaian luar biasa ”. Dia menambahkan bahwa kerja tim lain dalam menerapkan semua langkah yang diperlukan dalam protokol QKD memberikan preseden penting, menunjukkan bahwa kualitas keterjeratan yang dilaporkan dalam eksperimen ini adalah yang tertinggi sejauh ini antara memori kuantum berbasis materi jauh.
Sistem kriptografi kuantum diretas
Nicolas Sangouard, seorang ahli fisika di CEA yang merupakan salah satu peneliti utama proyek tersebut, mengatakan bahwa para peneliti LMU-NUS berhasil menunjukkan bahwa keadaan terjerat dapat didistribusikan dalam ratusan meter dengan kualitas yang, pada prinsipnya, cukup tinggi untuk menjalankan perangkat. -distribusi kunci kuantum independen. Dia menambahkan bahwa kesulitan yang harus mereka atasi menjadi ilustrasi yang baik tentang tantangan yang masih dihadapi QKD yang tidak bergantung pada perangkat untuk platform jaringan kuantum. Mengekstraksi kunci dari data mentah masih sangat sulit, tambahnya, karena jumlah pengulangan eksperimen tidak cukup untuk mengekstrak kunci dari hasil pengukuran.
