Forskere i Kina har oppnådd en stor milepæl i rom-til-jord kvantenøkkeldistribusjon (QKD) ved å demonstrere en funksjonell QKD-terminal med halvparten av massen av et tidligere system. Etter å ha sendt den nye terminalen ut i verdensrommet for å gå i bane rundt jorden ombord i romlaboratoriet Tiangong-2, har forskere ved Hefei National Laboratory og Universitetet for vitenskap og teknologi i Kina (USTC) gjennomførte en serie på 19 eksperimenter mellom 23. oktober 2018 og 13. februar 2019, og sendte kvantenøkler mellom satellitten og fire stasjoner på bakken på 15 separate dager.
I likhet med andre QKD-terminaler, er enheten i denne studien avhengig av lysets kvanteoppførsel for å lage den typen krypteringsnøkler som trengs for å beskytte data. "QKD bruker den grunnleggende lysenheten - enkeltfotoner - for å kode informasjon mellom to fjerne brukere," forklarer Jian-Wei Pan, fysiker ved USTC og medforfatter av en artikkel om forskning i Optica. "For eksempel kan senderen tilfeldig kode informasjon om polarisasjonstilstandene til fotoner, slik som horisontal, vertikal, lineær +45° eller lineær -45°. Ved mottakeren kan lignende polarisasjonstilstandsdekoding utføres, og rånøklene kan fås. Etter feilretting og personvernforsterkning kan de endelige sikre nøklene trekkes ut."
Fremtidssikker sikkerhet
Den nye slanke QKD-terminalen er gode nyheter for brukere med høye sikkerhetskrav. Selv om tradisjonell offentlig nøkkelkryptering for tiden er en av de beste krypteringsmidlene, er den avhengig av det faktum at klassiske datamaskiner ganske enkelt ikke kan løse visse problemer på rimelig tid. Disse vanskelige matematiske funksjonene fungerer imidlertid bare hvis hackeren bruker en klassisk datamaskin. Som Pan påpeker, kan en kvantedatamaskin i fremtiden ganske enkelt bruke Shor algoritme å knekke selv de beste nåværende kryptografimetodene.
Hvis kvantedatamaskiner kan bryte klassisk kryptering, vil en mulig løsning være å bruke kvantekryptering i stedet, når det er aktuelt. "QKD gir en informasjonssikker løsning på nøkkelutvekslingsproblemet," sier Pan. "Kvante-ikke-kloningsteoremet tilsier at en ukjent kvantetilstand ikke kan klones pålitelig. Hvis avlytteren prøver å avlytte QKD, introduserer hun uunngåelig forstyrrelse av kvantesignalene, som deretter vil bli oppdaget av QKD-brukere.»
Paul Kwiat, en fysiker ved University of Illinois i Urbana-Champaign, USA, som ikke var involvert i forskningen, legger til at eventuelle angrep på QKD må gjøres på overføringstidspunktet. "I denne forstand blir QKD noen ganger beskrevet som "fremtidssikker" - det spiller ingen rolle hvilken beregningskraft en motstander utvikler 10 år fra nå (som ville ha betydning for kryptografi med offentlig nøkkel); alt som betyr noe er mulighetene en avlytter har når kvantenøkkelen først distribueres, sier Kwiat, som leder kvantekommunikasjonsdivisjonen at Q-NESTE, et forskningskonsortium fokusert på kvanteinformasjonsutfordringer.
Dagslysbegrensning
Mens tidligere QKD-arbeid har blitt utført med en annen enhet på Micius-satellitten, var forskerne i den siste studien i stand til å redusere terminalens masse ved å integrere QKD-nyttelasten med andre systemer som kontrollelektronikk, optikk og teleskoper. Dette er et stort skritt fremover, men medlemmene av Hefei-USTC-teamet er ikke ferdige. En utfordring de nevner i papiret sitt er at de foreløpig ikke kan drive terminalen på dagtid. Dette er fordi spredning av sollys skaper bakgrunnsstøy som er fem til seks størrelsesordener mer enn det man ser i eksperimenter utført om natten. Når det er sagt, jobber Pan og hans kolleger med teknologier som bølgelengdeoptimalisering, spektralfiltrering og romlig filtrering for å muliggjøre QKD-drift i dagslys.
Enhetsuavhengig QKD bringer uhackbart kvanteinternett nærmere
Pan uttaler at teamet har store planer, som forhåpentligvis kulminerer med etableringen av et globalt satellitt-bakkeintegrert kvantenettverk som kan tilby tjenester til brukere over hele verden. Etter suksessen med dette arbeidet, vil teamet begynne å konstruere en kvantesatellittkonstellasjon som består av flere lavbanesatellitter, en middels til høy banesatellitt og QKD-nettverk med bakkefiber. "Vi tror arbeidet vårt vil bidra til et attraktivt forskningsområde for hvordan man kan konstruere den optimale satellittkonstellasjonen," sier Pan.
