Onderzoekers in China hebben een belangrijke mijlpaal bereikt in de ruimte-naar-grond kwantumsleuteldistributie (QKD) door een functionele QKD-terminal te demonstreren met de helft van de massa van een eerder systeem. Nadat ze de nieuwe terminal de ruimte in hadden gestuurd om in een baan om de aarde te draaien aan boord van het ruimtelaboratorium Tiangong-2, zeiden wetenschappers van Nationaal laboratorium Hefei en Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China (USTC) voerde tussen 19 oktober 23 en 2018 februari 13 een reeks van 2019 experimenten uit, waarbij met succes kwantumsleutels werden verzonden tussen de satelliet en vier stations op de grond op 15 afzonderlijke dagen.
Net als andere QKD-terminals vertrouwt het apparaat in dit onderzoek op het kwantumgedrag van licht om de soorten encryptiesleutels te creëren die nodig zijn om gegevens te beschermen. “QKD gebruikt de fundamentele eenheid van licht – afzonderlijke fotonen – om informatie tussen twee verre gebruikers te coderen”, legt Jian-Wei Pan uit, een natuurkundige bij USTC en co-auteur van een artikel over het onderzoek in optica. “De zender kan bijvoorbeeld willekeurig informatie coderen over de polarisatietoestanden van fotonen, zoals horizontaal, verticaal, lineair +45° of lineair –45°. Bij de ontvanger kan een soortgelijke polarisatiestatusdecodering worden uitgevoerd en kunnen de ruwe sleutels worden verkregen. Na foutcorrectie en privacyversterking kunnen de definitieve veilige sleutels worden geëxtraheerd.”
Toekomstbestendige beveiliging
De nieuwe, afgeslankte QKD-terminal is goed nieuws voor gebruikers met hoge beveiligingseisen. Hoewel traditionele cryptografie met publieke sleutels momenteel een van de beste versleutelingsmethoden is, berust deze op het feit dat klassieke computers bepaalde problemen eenvoudigweg niet binnen een redelijke tijd kunnen oplossen. Deze hardnekkige wiskundige functies werken echter alleen als de hacker een klassieke computer gebruikt. Zoals Pan opmerkt, zou een kwantumcomputer in de toekomst eenvoudigweg kunnen gebruiken Shor's algoritme om zelfs de beste huidige cryptografiemethoden te kraken.
Als kwantumcomputers de klassieke versleuteling kunnen doorbreken, zou een mogelijke oplossing zijn om, indien van toepassing, kwantumversleuteling te gebruiken. “QKD biedt een informatieveilige oplossing voor het sleuteluitwisselingsprobleem”, zegt Pan. “De kwantum-niet-kloneringsstelling dicteert dat een onbekende kwantumtoestand niet op betrouwbare wijze kan worden gekloond. Als de afluisteraar QKD probeert af te luisteren, introduceert ze onvermijdelijk verstoring van de kwantumsignalen, die vervolgens door QKD-gebruikers zullen worden gedetecteerd.”
Paul Kwaat, een natuurkundige aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, VS, die niet betrokken was bij het onderzoek, voegt eraan toe dat eventuele aanvallen op QKD moeten worden uitgevoerd op het moment van overdracht. “In die zin wordt QKD soms omschreven als ‘toekomstbestendig’ – het maakt niet uit welke rekenkracht een tegenstander over tien jaar zal ontwikkelen (wat van belang zou zijn voor cryptografie met openbare sleutels); het enige dat telt zijn de mogelijkheden die een afluisteraar heeft wanneer de kwantumsleutel in eerste instantie wordt gedistribueerd”, zegt Kwiat, die leidt de afdeling kwantumcommunicatie at Q-VOLGENDE, een onderzoeksconsortium dat zich richt op uitdagingen op het gebied van kwantuminformatie.
Daglichtbeperking
Terwijl eerder QKD-werk werd uitgevoerd met een ander apparaat op de Micius-satelliet, konden de onderzoekers in de laatste studie de massa van de terminal verminderen door de QKD-payload te integreren met andere systemen zoals besturingselektronica, optica en telescopen. Dit is een grote stap voorwaarts, maar de leden van het Hefei-USTC-team zijn nog niet klaar. Eén uitdaging die ze in hun paper noemen, is dat ze de terminal momenteel niet overdag kunnen runnen. Dit komt doordat de verstrooiing van zonlicht achtergrondgeluiden veroorzaakt die vijf tot zes ordes van grootte groter zijn dan wat wordt waargenomen in experimenten die 's nachts worden uitgevoerd. Dat gezegd hebbende, werken Pan en zijn collega's aan technologieën zoals golflengte-optimalisatie, spectrale filtering en ruimtelijke filtering om QKD-werking bij daglicht mogelijk te maken.
Apparaatonafhankelijke QKD brengt onhackbaar kwantuminternet dichterbij
Pan stelt dat het team grote plannen heeft, die hopelijk zullen culmineren in de creatie van een mondiaal satelliet-grond-geïntegreerd kwantumnetwerk dat diensten kan leveren aan gebruikers over de hele wereld. Na het succes van dit werk zal het team beginnen met de bouw van een kwantumsatellietconstellatie die bestaat uit verschillende satellieten in een lage baan, een satelliet in een middelhoge tot hoge baan en de QKD-grondvezelnetwerken. “Wij denken dat ons werk zal bijdragen aan een aantrekkelijk onderzoeksgebied over hoe de optimale satellietconstellatie kan worden geconstrueerd”, zegt Pan.
