Naukowcy z Chin osiągnęli kamień milowy w kwantowej dystrybucji klucza przestrzeń-ziemia (QKD), demonstrując funkcjonalny terminal QKD o masie o połowę mniejszej niż poprzedni system. Po wysłaniu nowego terminala w przestrzeń kosmiczną, aby okrążył Ziemię na pokładzie kosmicznego laboratorium Tiangong-2, naukowcy z Laboratorium Narodowe Hefei oraz Uniwersytet Nauki i Technologii Chin (USTC) przeprowadziło serię 19 eksperymentów w okresie od 23 października 2018 r. do 13 lutego 2019 r., pomyślnie przesyłając klucze kwantowe między satelitą a czterema stacjami naziemnymi przez 15 różnych dni.
Podobnie jak inne terminale QKD, urządzenie objęte tym badaniem wykorzystuje kwantowe zachowanie światła do tworzenia kluczy szyfrujących niezbędnych do ochrony danych. „QKD wykorzystuje podstawową jednostkę światła – pojedyncze fotony – do kodowania informacji między dwoma odległymi użytkownikami” – wyjaśnia Jian-Wei Pan, fizyk z USTC i współautor artykułu na temat badań w optyka. „Nadajnik może na przykład losowo kodować informacje o stanach polaryzacji fotonów, takie jak poziomy, pionowy, liniowy +45° lub liniowy –45°. W odbiorniku można wykonać dekodowanie podobnego stanu polaryzacji i uzyskać surowe klucze. Po skorygowaniu błędów i wzmocnieniu prywatności można wyodrębnić ostateczne bezpieczne klucze.
Bezpieczeństwo przyszłościowe
Nowy, odchudzony terminal QKD to dobra wiadomość dla użytkowników o wysokich wymaganiach bezpieczeństwa. Chociaż tradycyjna kryptografia klucza publicznego jest obecnie jedną z najlepszych metod szyfrowania, opiera się ona na fakcie, że klasyczne komputery po prostu nie są w stanie rozwiązać pewnych problemów w rozsądnym czasie. Jednak te trudne funkcje matematyczne działają tylko wtedy, gdy haker używa klasycznego komputera. Jak podkreśla Pan, komputer kwantowy w przyszłości mógłby po prostu skorzystać algorytm faktoryzacji shora złamać nawet najlepsze obecne metody kryptograficzne.
Jeśli komputery kwantowe mogą złamać klasyczne szyfrowanie, jednym z możliwych rozwiązań byłoby zastosowanie zamiast tego szyfrowania kwantowego, jeśli ma to zastosowanie. „QKD zapewnia bezpieczne rozwiązanie problemu wymiany kluczy” – mówi Pan. „Kwantowe twierdzenie o zakazie klonowania mówi, że nieznanego stanu kwantowego nie można w sposób niezawodny sklonować. Jeśli podsłuchujący spróbuje podsłuchać QKD, nieuchronnie wprowadzi zakłócenia w sygnałach kwantowych, które zostaną następnie wykryte przez użytkowników QKD.”
Paweł Kwiatek, fizyk z Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign w USA, który nie był zaangażowany w badania, dodaje, że wszelkich ataków na QKD należy dokonać w momencie transmisji. „W tym sensie QKD jest czasami określane jako „przyszłościowe” – nie ma znaczenia, jaką moc obliczeniową rozwinie jakiś przeciwnik za 10 lat (co miałoby znaczenie dla kryptografii klucza publicznego); liczą się tylko możliwości podsłuchiwacza, gdy klucz kwantowy jest początkowo dystrybuowany” – mówi Kwiat, który kieruje działem komunikacji kwantowej at Q-NASTĘPNY, konsorcjum badawcze zajmujące się wyzwaniami związanymi z informacją kwantową.
Ograniczenie światła dziennego
Chociaż poprzednie prace nad QKD prowadzono z innym urządzeniem na satelicie Micius, w najnowszym badaniu naukowcom udało się zmniejszyć masę terminala, integrując ładunek QKD z innymi systemami, takimi jak elektronika sterująca, optyka i teleskopy. To duży krok naprzód, ale członkowie zespołu Hefei–USTC to jeszcze nie koniec. Jednym z wyzwań, o którym wspominają w swoim artykule, jest to, że obecnie nie mogą obsługiwać terminala w ciągu dnia. Dzieje się tak, ponieważ rozpraszanie światła słonecznego powoduje powstawanie szumu tła o pięć do sześciu rzędów wielkości większego niż to, co widać w eksperymentach prowadzonych nocą. To powiedziawszy, Pan i jego współpracownicy pracują nad technologiami takimi jak optymalizacja długości fali, filtrowanie widmowe i filtrowanie przestrzenne, aby umożliwić działanie QKD w świetle dziennym.
Niezależna od urządzeń QKD przybliża niemożliwy do zhakowania Internet kwantowy
Pan twierdzi, że zespół ma wielkie plany, które, miejmy nadzieję, zakończą się utworzeniem globalnej, zintegrowanej z ziemią satelity sieci kwantowej, która będzie w stanie świadczyć usługi użytkownikom na całym świecie. Po powodzeniu tych prac zespół rozpocznie budowę konstelacji satelitów kwantowych składającej się z kilku satelitów o niskiej orbicie, satelity o średniej i wysokiej orbicie oraz naziemnych sieci światłowodowych QKD. „Uważamy, że nasza praca przyczyni się do powstania atrakcyjnego obszaru badań nad sposobami skonstruowania optymalnej konstelacji satelitów” – mówi Pan.
