מסוף מצומצם משדר מפתחות קוונטיים מהחלל

חוקרים בסין השיגו אבן דרך גדולה בהפצת מפתח קוונטי בחלל לאדמה (QKD) על ידי הדגמת מסוף QKD פונקציונלי עם מחצית מהמסה של מערכת קודמת. לאחר שליחת הטרמינל החדש לחלל להקיף את כדור הארץ על סיפון מעבדת החלל Tiangong-2, מדענים ב המעבדה הלאומית של חפי ו אוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין (USTC) ערכה סדרה של 19 ניסויים בין ה-23 באוקטובר 2018 ל-13 בפברואר 2019, והעבירה בהצלחה מפתחות קוונטיים בין הלוויין לארבע תחנות על הקרקע ב-15 ימים נפרדים.

כמו מסופי QKD אחרים, המכשיר במחקר זה מסתמך על ההתנהגות הקוונטית של האור כדי ליצור את סוגי מפתחות ההצפנה הדרושים להגנה על נתונים. "QKD משתמשת ביחידה הבסיסית של אור - פוטונים בודדים - כדי לקודד מידע בין שני משתמשים מרוחקים", מסביר Jian-Wei Pan, פיזיקאי ב-USTC ומחבר שותף של מאמר על המחקר ב- אופטיקה. "לדוגמה, המשדר יכול לקודד באופן אקראי מידע על מצבי הקיטוב של פוטונים, כגון אופקי, אנכי, ליניארי +45° או ליניארי -45°. במקלט ניתן לבצע פענוח מצב קיטוב דומה ולהשיג את המפתחות הגולמיים. לאחר תיקון שגיאות והגברת הפרטיות, ניתן לחלץ את המפתחות המאובטחים הסופיים."

אבטחה מוגנת עתיד

מסוף QKD החדש והדק הוא חדשות טובות למשתמשים עם דרישות אבטחה גבוהות. למרות שהצפנת מפתח ציבורי מסורתית היא כיום אחד מאמצעי ההצפנה הטובים ביותר, היא מסתמכת על העובדה שמחשבים קלאסיים פשוט לא יכולים לפתור בעיות מסוימות בפרק זמן סביר. עם זאת, הפונקציות המתמטיות הבלתי ניתנות לפתרון פועלות רק אם ההאקר משתמש במחשב קלאסי. כפי שפאן מציין, מחשב קוונטי בעתיד יוכל פשוט להשתמש האלגוריתם של שור לפצח אפילו את שיטות ההצפנה העדכניות הטובות ביותר.

אם מחשבים קוונטיים יכולים לשבור הצפנה קלאסית, פתרון אפשרי אחד יהיה להשתמש בהצפנה קוונטית במקום זאת, כאשר ישים. "QKD מספקת פתרון מאובטח במידע לבעיית חילופי המפתחות", אומר פאן. "משפט אי-שיבוט הקוונטי מכתיב שלא ניתן לשבט מצב קוונטי לא ידוע בצורה מהימנה. אם המצותתת תנסה לצותת ב-QKD, היא באופן בלתי נמנע מציגה הפרעה לאותות הקוונטיים, שאותם יתגלו על ידי משתמשי QKD."

פול קוויאט, פיזיקאי מאוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין, ארה"ב, שלא היה מעורב במחקר, מוסיף שכל התקפות על QKD חייבות להתבצע בזמן השידור. "במובן הזה, QKD מתואר לפעמים כ'הוכחה לעתיד' - זה לא משנה איזה כוח חישוב יפתח יריב כלשהו יפתח בעוד 10 שנים מהיום (מה שיהיה חשוב להצפנת מפתח ציבורי); כל מה שחשוב הוא היכולות שיש לצותת כשהמפתח הקוונטי מופץ תחילה", אומר קוויאט, אשר מוביל את חטיבת התקשורת הקוונטית at Q-NEXT, קונסורציום מחקר המתמקד באתגרי מידע קוונטי.

הגבלת אור יום

בעוד שעבודת QKD קודמת נערכה עם מכשיר אחר בלוויין Micius, במחקר האחרון הצליחו החוקרים להפחית את המסה של הטרמינל על ידי שילוב מטען QKD עם מערכות אחרות כגון אלקטרוניקה בקרה, אופטיקה וטלסקופים. זהו צעד גדול קדימה, אך חברי צוות Hefei–USTC לא סיימו. אתגר אחד שהם מציינים בעיתון שלהם הוא שהם לא יכולים כרגע להפעיל את הטרמינל במהלך היום. הסיבה לכך היא שפיזור אור השמש יוצר רעשי רקע שהם חמישה עד שישה סדרי גודל יותר ממה שרואים בניסויים שנערכו בלילה. עם זאת, פאן ועמיתיו עובדים על טכנולוגיות כמו אופטימיזציה של אורך גל, סינון ספקטרלי וסינון מרחבי כדי לאפשר פעולת QKD לאור יום.

פאן מצהיר שלצוות יש תוכניות גדולות, בתקווה שיגיעו לשיא ביצירת רשת קוונטית גלובלית משולבת לוויינים-קרקע שיכולה לספק שירותים למשתמשים ברחבי העולם. בעקבות הצלחת עבודה זו, הצוות יתחיל בבניית קבוצת לוויינים קוונטיים המורכבת ממספר לוויינים במסלול נמוך, לוויין מסלול בינוני עד גבוה ורשתות QKD עם סיבים קרקעיים. "אנו חושבים שהעבודה שלנו תתרום לאזור אטרקטיבי של מחקר כיצד לבנות את קבוצת הלוויין האופטימלית", אומר פאן.