Două grupuri independente de cercetare au demonstrat un protocol pentru distribuirea cheilor criptate cuantice printr-o metodă care îi va lăsa în întuneric pe potențialii hackeri de rețea. Protocolul, numit distribuție a cheilor cuantice independente de dispozitiv, a fost propus pentru prima dată în urmă cu trei decenii, dar nu a fost realizat experimental înainte din cauza limitărilor tehnice, pe care cercetătorii le-au depășit acum.
Majoritatea oamenilor folosesc criptarea în mod regulat pentru a se asigura că informațiile pe care le transferă prin Internet (cum ar fi detaliile cardului de credit) nu cad în mâinile greșite. Bazele matematice ale criptării actuale sunt suficient de solide încât „cheile” criptate să nu poată fi sparte, chiar și cu cele mai rapide supercomputere. Această criptare clasică poate fi totuși în pericol de la viitoarele computere cuantice.
O soluție la această problemă este distribuția cheii cuantice (QKD), care utilizează proprietățile cuantice ale fotonilor, mai degrabă decât algoritmi matematici, ca bază pentru criptare. De exemplu, dacă un expeditor folosește fotoni încurcați pentru a transmite o cheie către un receptor, orice hacker care încearcă să spioneze această comunicare va fi ușor de detectat deoarece intervenția lor va perturba încurcarea. Prin urmare, QKD permite celor două părți să genereze chei secrete securizate pe care le pot folosi pentru a partaja informații.
Dispozitive vulnerabile
Dar există o captură. Chiar dacă informațiile sunt trimise într-un mod sigur, cineva ar putea în continuare să cunoască cheia prin piratarea dispozitivelor expeditorului și/sau receptorului. Deoarece QKD presupune în general că dispozitivele mențin calibrarea perfectă, orice abatere poate fi dificil de detectat, lăsându-le predispuse să fie compromise.
O alternativă este QKD independent de dispozitiv (DIQKD), care, după cum sugerează și numele, funcționează independent de starea dispozitivului. DIQKD funcționează după cum urmează. Doi utilizatori, numiți în mod tradițional Alice și Bob, fiecare posedă o particulă dintr-o pereche încâlcită. Ei măsoară particulele în mod independent folosind un set strict de condiții experimentale. Aceste măsurători sunt împărțite în cele care sunt folosite pentru a genera o cheie pentru criptare și cele care sunt folosite pentru a confirma încurcarea. Dacă particulele sunt încurcate, valorile măsurate vor încălca condițiile cunoscute sub numele de inegalitățile lui Bell. Stabilirea acestei încălcări garantează că procesul de generare a cheilor nu a fost alterat.
Entanglement de înaltă fidelitate, rată scăzută de eroare a biților
În noua cercetare, care este descrisă în Natură, o echipă internațională de la Universitatea din Oxford (Marea Britanie), CEA (Franța) și EPFL, Universitatea din Geneva și ETH (toate în Elveția) și-au efectuat măsurătorile pe o pereche de ioni de stronțiu-88 prinși, la distanță de doi metri. Când acești ioni sunt excitați într-o stare electronică superioară, ei se descompun spontan, emițând câte un foton fiecare. O măsurătoare a stării de clopot (BSM) este apoi efectuată pe ambii fotoni pentru a încurca ionii. Pentru a vă asigura că toate informațiile sunt păstrate în cadrul configurației, ionii sunt apoi ghidați într-o locație diferită unde sunt utilizați pentru a efectua protocolul de măsurare DIQKD. După aceasta, secvența se repetă.
Pe o perioadă de aproape opt ore, echipa a creat 1.5 milioane de perechi Bell încurcate și le-a folosit pentru a genera o cheie partajată cu o lungime de 95 884 de biți. Acest lucru a fost posibil deoarece fidelitatea încurcăturii a fost mare, la 96%, în timp ce rata de eroare cuantică a biților a fost scăzută, la 1.44%. Între timp, măsurătorile inegalității Bell au produs o valoare de 2.64, cu mult peste limita clasică de 2, ceea ce înseamnă că încrucișarea nu a fost împiedicată.
Într-un experiment separat, descris și în Natură, cercetătorii de la Universitatea Ludwig-Maximilian (LMU) din Germania și de la Universitatea Națională din Singapore (NUS) au folosit o pereche de atomi de rubidiu-87 prinși optic, aflați în laboratoare la 400 de metri unul de celălalt și conectați printr-o fibră optică de 700 de metri lungime. Similar cu protocolul celeilalte echipe, atomii sunt excitați, iar fotonii pe care îi emit pe măsură ce se descompun înapoi la starea lor fundamentală sunt utilizați pentru a realiza un BSM care încurcă cei doi atomi. Stările atomului sunt apoi măsurate prin ionizarea lor într-o anumită stare. Deoarece atomii ionizați sunt pierduți din capcană, o măsurătoare de fluorescență pentru a verifica prezența atomului completează protocolul.
Echipa LMU-NUS a repetat această secvență de 3 342 de ori pe o perioadă de măsurare de 75 de ore, menținând o fidelitate a încurcăturii de 89.2% și o rată de eroare cuantică a biților de 7.8% pe tot parcursul. Măsurarea inegalității Bell a dat un rezultat de 2.57, dovedind din nou că încrucișarea a rămas intactă în perioada de măsurare.
Acum fă-l practic
Pentru ca DIQKD să devină o metodă practică de criptare, ambele echipe sunt de acord că ratele de generare a cheilor vor trebui să crească. La fel vor fi și distanțele dintre Alice și Bob. O modalitate de optimizare a sistemului ar putea fi utilizarea cavităților pentru a îmbunătăți ratele de colectare a fotonilor. Un alt pas ar fi paralelizarea procesului de generare a încurcăturii prin utilizarea unor rețele de atomi/ioni unici, mai degrabă decât perechi. În plus, ambele echipe generează fotoni la lungimi de undă cu pierderi mari în interiorul fibrelor optice: 422 nm pentru stronțiu și 780 nm pentru rubidiu. Acest lucru ar putea fi rezolvat prin conversia cuantică a frecvenței, care mută fotonii în regiunea infraroșu apropiat, unde fibrele optice utilizate pentru telecomunicații prezintă pierderi mult mai mici.
Tim van Leent, doctorand la LMU și co-autor principal al lucrării LMU-NUS, notează că cheile generate de echipa Oxford-CEA-Elveția au fost securizate în așa-numitele ipoteze de securitate cu cheie finită, pe care el le numește „o mare realizare ”. El adaugă că munca celeilalte echipe privind implementarea tuturor pașilor necesari în protocolul QKD stabilește un precedent important, subliniind faptul că calitatea întanglementării raportată în acest experiment este cea mai ridicată de până acum între amintirile cuantice bazate pe materie îndepărtată.
Sistem de criptografie cuantică piratat
Nicolas Sangouard, fizician la CEA care este unul dintre investigatorii principali ai proiectului, spune că cercetătorii LMU-NUS au reușit să arate că stările încurcate pot fi distribuite pe sute de metri cu o calitate care este, în principiu, suficient de mare pentru a funcționa dispozitivul. -distribuție independentă a cheilor cuantice. El adaugă că dificultățile pe care au trebuit să le depășească servesc ca o bună ilustrare a provocărilor pe care QKD independent de dispozitiv le prezintă încă pentru platformele de rețele cuantice. Extragerea unei chei din datele brute rămâne deosebit de dificilă, adaugă el, deoarece numărul de repetări experimentale nu este suficient pentru a extrage o cheie din rezultatele măsurătorii.
