שתי קבוצות מחקר עצמאיות הדגימו פרוטוקול להפצת מפתחות מוצפנים קוונטיים באמצעות שיטה שבטוח תשאיר האקרים לרשת בחושך. הפרוטוקול, שזכה לכינוי הפצת מפתח קוונטי בלתי תלוי במכשיר, הוצע לראשונה לפני שלושה עשורים אך לא מומש בניסוי קודם לכן בשל מגבלות טכניות, שעליהן התגברו החוקרים כעת.
רוב האנשים משתמשים בהצפנה באופן קבוע כדי להבטיח שמידע שהם מעבירים דרך האינטרנט (כגון פרטי כרטיס אשראי) לא ייפול לידיים הלא נכונות. היסודות המתמטיים של ההצפנה של ימינו הם חזקים מספיק כדי שלא ניתן לפצח את ה"מפתחות" המוצפנים, אפילו עם מחשבי העל המהירים ביותר. עם זאת, הצפנה קלאסית זו עשויה להיות בסיכון ממחשבים קוונטיים עתידיים.
אחד הפתרונות לבעיה זו הוא חלוקת מפתח קוונטית (QKD), המשתמשת בתכונות הקוונטיות של פוטונים, ולא באלגוריתמים מתמטיים, כבסיס להצפנה. לדוגמה, אם שולח משתמש בפוטונים סבוכים כדי לשדר מפתח למקלט, כל האקר שינסה לרגל אחר תקשורת זו יהיה קל לזהות כי התערבותם תפריע להסתבכות. לכן, QKD מאפשר לשני הצדדים ליצור מפתחות סודיים מאובטחים שבהם הם יכולים להשתמש כדי לשתף מידע.
מכשירים פגיעים
אבל יש מלכוד. גם אם המידע נשלח בצורה מאובטחת, מישהו עדיין יכול לקבל ידע על המפתח על ידי פריצה למכשירים של השולח ו/או המקבל. מכיוון ש-QKD בדרך כלל מניחה שמכשירים שומרים על כיול מושלם, כל סטייה עשויה להיות קשה לזיהוי, ולהשאיר אותם בסיכון.
חלופה היא QKD עצמאית בהתקן (DIQKD), שכפי ששמו מרמז פועלת ללא תלות במצב המכשיר. DIQKD פועל באופן הבא. שני משתמשים, שנקראים באופן מסורתי אליס ובוב, לכל אחד מהם יש חלקיק אחד של זוג מסובך. הם מודדים את החלקיקים באופן עצמאי באמצעות מערכת קפדנית של תנאי ניסוי. מדידות אלו מחולקות לאלו המשמשות ליצירת מפתח להצפנה ולאלו המשמשות לאישור הסתבכות. אם החלקיקים מסתבכים, הערכים הנמדדים יפרו תנאים המכונים אי-השוויון של בל. קביעת הפרה זו מבטיחה שתהליך יצירת המפתח לא נפגם.
הסתבכות בנאמנות גבוהה, שיעור שגיאות סיביות נמוך
במחקר החדש, המתואר ב טבע, צוות בינלאומי מאוניברסיטת אוקספורד (בריטניה), CEA (צרפת) וה-EPFL, אוניברסיטת ז'נבה ו-ETH (כולן בשוויץ) ביצעו את המדידות שלהם על זוג יוני סטרונציום-88 לכודים המרוחקים שני מטרים זה מזה. כאשר יונים אלה נרגשים למצב אלקטרוני גבוה יותר, הם מתפוררים באופן ספונטני, ופולטים פוטון כל אחד. לאחר מכן מבוצעת מדידת מצב פעמון (BSM) בשני הפוטונים כדי לסבך את היונים. כדי להבטיח שכל המידע נשמר בתוך ההגדרה, היונים מודרכים לאחר מכן למיקום אחר שבו הם משמשים לביצוע פרוטוקול המדידה DIQKD. לאחר מכן הרצף חוזר על עצמו.
במהלך תקופה של כמעט שמונה שעות, הצוות יצר 1.5 מיליון זוגות בל מסובכים והשתמש בהם כדי ליצור מפתח משותף באורך 95 884 סיביות. זה היה אפשרי מכיוון שהנאמנות של ההסתבכות הייתה גבוהה, ב-96%, בעוד ששיעור השגיאות של הסיביות הקוונטיות היה נמוך, ב-1.44%. מדידות אי השוויון של Bell, בינתיים, יצרו ערך של 2.64, הרבה מעל הגבול הקלאסי של 2, כלומר ההסתבכות לא נבלמה.
בניסוי נפרד, המתואר גם ב טבע, חוקרים מאוניברסיטת לודוויג-מקסימיליאן (LMU) והאוניברסיטה הלאומית של סינגפור (NUS) השתמשו בזוג אטומי רובידיום-87 הכלואים אופטית הממוקמים במעבדות במרחק של 400 מטר זו מזו ומחוברים באמצעות סיב אופטי באורך 700 מטר. בדומה לפרוטוקול של הצוות השני, האטומים נרגשים והפוטונים שהם פולטים כשהם מתפוררים בחזרה למצב הקרקע שלהם משמשים לביצוע BSM המסבך את שני האטומים. לאחר מכן מודדים את מצבי האטום על ידי יינון שלהם למצב מסוים. מכיוון שאטומים מיוננים הולכים לאיבוד מהמלכודת, מדידת פלואורסצנציה כדי לבדוק את נוכחותו של האטום משלימה את הפרוטוקול.
צוות LMU-NUS חזר על הרצף הזה 3 פעמים על פני תקופת מדידה של 342 שעות, תוך שמירה על נאמנות הסתבכות של 75% ושיעור שגיאות סיביות קוונטיות של 89.2% לאורך כל הדרך. מדידת אי השוויון של Bell הניבה תוצאה של 7.8, שוב הוכיחה שההסתבכות נותרה על כנה לאורך תקופת המדידה.
עכשיו תעשה את זה פרקטי
כדי ש-DIQKD יהפוך לשיטת הצפנה מעשית, שני הצוותים מסכימים ששיעורי יצירת המפתחות יצטרכו לעלות. כך גם המרחקים בין אליס לבוב. דרך אחת לייעל את המערכת עשויה להיות שימוש בחללים כדי לשפר את שיעורי איסוף הפוטונים. שלב נוסף יהיה להקביל את תהליך יצירת ההסתבכות באמצעות מערכים של אטומים/יונים בודדים, במקום זוגות. בנוסף, שני הצוותים מייצרים פוטונים באורכי גל עם הפסדים גבוהים בתוך סיבים אופטיים: 422 ננומטר עבור סטרונציום ו-780 ננומטר עבור רובידיום. ניתן לטפל בכך באמצעות המרת תדר קוונטי, אשר מעביר פוטונים לאזור הקרוב לאינפרא אדום שבו סיבים אופטיים המשמשים לטלקומוניקציה מציגים אובדן נמוך בהרבה.
טים ואן לינט, סטודנט לדוקטורט ב-LMU ומחבר מוביל של המאמר LMU-NUS, מציין שהמפתחות שצוות אוקספורד-CEA-שוויץ יצר היו מאובטחים תחת מה שנקרא הנחות אבטחה סופיות, אותן הוא מכנה "הישג גדול ". הוא מוסיף שהעבודה של הצוות האחר על הטמעת כל השלבים הדרושים בפרוטוקול QKD מהווה תקדים חשוב, ומצביע על כך שאיכות ההסתבכות שדווחה בניסוי זה היא הגבוהה ביותר עד כה בין זיכרונות קוונטיים מרוחקים.
מערכת הצפנה קוונטית נפרצה
ניקולס סנגוארד, פיזיקאי ב-CEA שהוא אחד החוקרים המובילים של הפרויקט, אומר שחוקרי LMU-NUS הצליחו להראות שניתן להפיץ מצבים סבוכים על פני מאות מטרים באיכות שהיא, באופן עקרוני, מספיק גבוהה לביצוע התקן -הפצה עצמאית של מפתח קוונטי. הוא מוסיף כי הקשיים עליהם הם נאלצו להתגבר משמשים כהמחשה טובה לאתגרים ש-QKD בלתי תלוי במכשיר עדיין מציבה עבור פלטפורמות רשת קוונטיות. חילוץ מפתח מהנתונים הגולמיים נותר קשה במיוחד, הוא מוסיף, מכיוון שמספר החזרות על הניסוי אינו מספיק כדי לחלץ מפתח מתוצאות המדידה.
