두 개의 독립적인 연구 그룹이 네트워크 해커가 될 수 있는 방법을 통해 양자 암호화 키를 배포하는 프로토콜을 시연했습니다. 장치 독립형 양자 키 분배라고 불리는 이 프로토콜은 XNUMX년 전에 처음 제안되었지만 기술적 한계로 인해 이전에는 실험적으로 실현되지 않았으며 이제 연구원들은 이를 극복했습니다.
대부분의 사람들은 인터넷을 통해 전송하는 정보(예: 신용 카드 세부 정보)가 잘못된 사람의 손에 들어가지 않도록 정기적으로 암호화를 사용합니다. 오늘날 암호화의 수학적 기반은 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로도 암호화된 "키"를 해독할 수 없을 만큼 강력합니다. 그러나 이 고전적인 암호화는 미래의 양자 컴퓨터에서 위험에 처할 수 있습니다.
이 문제에 대한 한 가지 해결책은 수학적 알고리즘이 아닌 광자의 양자 속성을 암호화의 기반으로 사용하는 QKD(Quantum Key Distribution)입니다. 예를 들어 발신자가 얽힌 광자를 사용하여 키를 수신자에게 전송하는 경우 이 통신을 염탐하려는 해커의 개입이 얽힘을 방해하기 때문에 쉽게 감지할 수 있습니다. 따라서 QKD를 통해 두 당사자는 정보를 공유하는 데 사용할 수 있는 안전한 비밀 키를 생성할 수 있습니다.
취약한 기기
하지만 문제가 있습니다. 정보가 안전한 방식으로 전송되더라도 누군가 발신자 및/또는 수신자의 장치를 해킹하여 키에 대한 지식을 얻을 수 있습니다. QKD는 일반적으로 장치가 완벽한 보정을 유지한다고 가정하기 때문에 모든 편차를 감지하기 어려울 수 있으므로 손상되기 쉽습니다.
대안은 DIQKD(장치 독립적 QKD)로, 이름에서 알 수 있듯이 장치 상태와 독립적으로 작동합니다. DIQKD는 다음과 같이 작동합니다. 전통적으로 Alice와 Bob이라는 두 명의 사용자는 각각 얽힌 쌍의 입자 하나를 소유합니다. 엄격한 실험 조건을 사용하여 독립적으로 입자를 측정합니다. 이러한 측정은 암호화를 위한 키 생성에 사용되는 측정과 얽힘 확인에 사용되는 측정으로 구분됩니다. 입자가 얽힌 경우 측정값은 Bell의 부등식으로 알려진 조건을 위반합니다. 이 위반을 설정하면 키 생성 프로세스가 변조되지 않았음을 보장합니다.
고충실도 얽힘, 낮은 비트 오류율
에 기술된 새로운 연구에서 자연, 옥스퍼드 대학(영국), CEA(프랑스), EPFL, 제네바 대학, ETH(모두 스위스)의 국제 팀은 88미터 간격으로 갇힌 한 쌍의 스트론튬-XNUMX 이온에 대해 측정을 수행했습니다. 이러한 이온이 더 높은 전자 상태로 여기되면 자발적으로 붕괴되어 각각 광자를 방출합니다. BSM(벨 상태 측정)은 이온을 얽히게 하기 위해 두 광자 모두에서 수행됩니다. 설정 내에서 모든 정보를 유지하기 위해 이온은 DIQKD 측정 프로토콜을 수행하는 데 사용되는 다른 위치로 안내됩니다. 그 후 시퀀스가 반복됩니다.
거의 1.5시간에 걸쳐 팀은 95만 개의 얽힌 Bell 쌍을 만들고 이를 사용하여 884비트 길이의 공유 키를 생성했습니다. 이는 얽힘의 충실도가 96%로 높고 양자 비트 오류율이 1.44%로 낮기 때문에 가능했다. 한편 벨 부등식 측정값은 2.64의 값을 생성했는데, 이는 얽힘이 방해받지 않았음을 의미하는 고전적 한계인 2보다 훨씬 높습니다.
별도의 실험에서 자연, 독일 Ludwig-Maximilian 대학(LMU)과 싱가포르 국립 대학(NUS)의 연구원들은 87미터 떨어져 있고 400미터 길이의 광섬유로 연결된 실험실에 광학적으로 포획된 한 쌍의 루비듐-700 원자를 사용했습니다. 다른 팀의 프로토콜과 유사하게, 원자는 여기되고 바닥 상태로 돌아가면서 방출하는 광자는 두 원자를 얽히게 하는 BSM을 수행하는 데 사용됩니다. 그런 다음 원자 상태를 특정 상태로 이온화하여 측정합니다. 트랩에서 이온화된 원자가 손실되기 때문에 원자의 존재를 확인하기 위한 형광 측정으로 프로토콜이 완료됩니다.
LMU-NUS 팀은 3시간의 측정 기간 동안 이 시퀀스를 342회 반복하여 75%의 얽힘 충실도와 89.2%의 양자 비트 오류율을 전체적으로 유지했습니다. 벨 부등식 측정은 7.8의 결과를 얻었고, 다시 한번 얽힘이 측정 기간 동안 온전하게 남아 있음을 증명했습니다.
이제 실용화
DIQKD가 실용적인 암호화 방법이 되려면 두 팀 모두 키 생성 속도를 높여야 한다는 데 동의합니다. 따라서 Alice와 Bob 사이의 거리도 마찬가지입니다. 시스템을 최적화하는 한 가지 방법은 캐비티를 사용하여 광자 수집 속도를 향상시키는 것입니다. 또 다른 단계는 쌍이 아닌 단일 원자/이온의 배열을 사용하여 얽힘 생성 프로세스를 병렬화하는 것입니다. 또한 두 팀 모두 광섬유 내부에서 손실이 큰 파장(스트론튬의 경우 422nm, 루비듐의 경우 780nm)에서 광자를 생성합니다. 이것은 통신에 사용되는 광섬유가 훨씬 낮은 손실을 나타내는 근적외선 영역으로 광자를 이동시키는 양자 주파수 변환을 통해 해결할 수 있습니다.
팀 반 린트LMU의 박사 과정 학생이자 LMU-NUS 논문의 공동 저자인 은 옥스포드-CEA-스위스 팀이 생성한 키가 소위 유한 키 보안 가정 하에서 안전했다고 언급합니다. ". 그는 QKD 프로토콜에서 필요한 모든 단계를 구현하는 다른 팀의 작업이 중요한 선례를 설정한다고 덧붙이며 이 실험에서 보고된 얽힘 품질이 멀리 떨어진 물질 기반 양자 메모리 사이에서 지금까지 가장 높다고 지적합니다.
양자 암호 시스템 해킹
니콜라스 상구아르이 프로젝트의 수석 조사자 중 한 명인 CEA의 물리학자는 LMU-NUS 연구원들이 원칙적으로 장치를 수행하기에 충분히 높은 품질로 얽힌 상태가 수백 미터에 걸쳐 분포될 수 있음을 보여주는 데 성공했다고 말했습니다. -독립 양자 키 배포. 그는 그들이 극복해야 했던 어려움이 장치 독립적인 QKD가 여전히 양자 네트워킹 플랫폼에 제기하는 문제를 잘 보여주는 것이라고 덧붙였습니다. 원시 데이터에서 키를 추출하는 것은 여전히 어렵다고 그는 덧붙입니다. 실험 반복 횟수가 측정 결과에서 키를 추출하기에 충분하지 않기 때문입니다.
