Cercetătorii din China au atins o etapă majoră în distribuția cheii cuantice spațiu-sol (QKD) prin demonstrarea unui terminal QKD funcțional cu jumătate din masa unui sistem anterior. După ce a trimis noul terminal în spațiu pentru a orbita Pământul la bordul laboratorului spațial Tiangong-2, oamenii de știință de la Laboratorul Național Hefei si Universitatea de Știință și Tehnologie din China (USTC) a efectuat o serie de 19 experimente între 23 octombrie 2018 și 13 februarie 2019, transmițând cu succes chei cuantice între satelit și patru stații de la sol în 15 zile separate.
Ca și alte terminale QKD, dispozitivul din acest studiu se bazează pe comportamentul cuantic al luminii pentru a crea tipurile de chei de criptare necesare pentru a proteja datele. „QKD folosește unitatea fundamentală de lumină – fotoni unici – pentru a codifica informații între doi utilizatori la distanță”, explică Jian-Wei Pan, fizician la USTC și co-autor al unei lucrări despre cercetarea în OPTICA. „De exemplu, transmițătorul poate codifica aleatoriu informații despre stările de polarizare ale fotonilor, cum ar fi orizontală, verticală, liniară +45° sau liniară –45°. La receptor se poate realiza o decodare similară a stării de polarizare și se pot obține cheile brute. După corectarea erorilor și amplificarea confidențialității, cheile finale securizate pot fi extrase.”
Securitate pentru viitor
Noul terminal QKD subțire este o veste bună pentru utilizatorii cu cerințe ridicate de securitate. Deși criptografia tradițională cu cheie publică este în prezent unul dintre cele mai bune mijloace de criptare, se bazează pe faptul că computerele clasice pur și simplu nu pot rezolva anumite probleme într-un timp rezonabil. Cu toate acestea, aceste funcții matematice insolubile funcționează numai dacă hackerul folosește un computer clasic. După cum subliniază Pan, un computer cuantic în viitor ar putea pur și simplu folosi Algoritmul lui Shor pentru a sparge chiar și cele mai bune metode actuale de criptare.
Dacă computerele cuantice pot rupe criptarea clasică, o soluție posibilă ar fi folosirea în schimb a criptării cuantice, atunci când este cazul. „QKD oferă o soluție sigură pentru informații pentru problema schimbului de chei”, spune Pan. „Teorema cuantică fără clonare dictează că o stare cuantică necunoscută nu poate fi clonată în mod fiabil. Dacă interlocutorul încearcă să asculte cu urechea în QKD, ea introduce inevitabil perturbări în semnalele cuantice, care vor fi apoi detectate de utilizatorii QKD.”
Paul Kwiat, un fizician de la Universitatea Illinois din Urbana-Champaign, SUA, care nu a fost implicat în cercetare, adaugă că orice atac asupra QKD trebuie făcut în momentul transmiterii. „În acest sens, QKD este uneori descris ca „dovadă de viitor” – nu contează ce putere de calcul o dezvoltă un adversar peste 10 ani (ceea ce ar conta pentru criptografia cu cheie publică); tot ceea ce contează sunt capacitățile pe care le are un interceptator atunci când cheia cuantică este distribuită inițial”, spune Kwiat, care conduce divizia de comunicații cuantice at Q-NEXT, un consorțiu de cercetare axat pe provocările informațiilor cuantice.
Limitare la lumina zilei
În timp ce lucrările QKD anterioare au fost efectuate cu un dispozitiv diferit pe satelitul Micius, în cel mai recent studiu, cercetătorii au reușit să reducă masa terminalului prin integrarea sarcinii utile QKD cu alte sisteme, cum ar fi electronica de control, optica și telescoape. Acesta este un pas major înainte, dar membrii echipei Hefei–USTC nu au terminat. O provocare pe care o menționează în lucrarea lor este că în prezent nu pot rula terminalul în timpul zilei. Acest lucru se datorează faptului că împrăștierea luminii solare creează un zgomot de fond care este cu cinci până la șase ordine de mărime mai mult decât ceea ce se observă în experimentele efectuate pe timp de noapte. Acestea fiind spuse, Pan și colegii săi lucrează la tehnologii precum optimizarea lungimii de undă, filtrarea spectrală și filtrarea spațială pentru a permite funcționarea QKD la lumina zilei.
QKD independent de dispozitiv aduce mai aproape internetul cuantic inexploabil
Pan afirmă că echipa are planuri mari, care sperăm că vor culmina cu crearea unei rețele cuantice globale integrate la sol prin satelit, care poate oferi servicii utilizatorilor din întreaga lume. După succesul acestei lucrări, echipa va începe construirea unei constelații cuantice de sateliți compusă din mai mulți sateliți pe orbită joasă, un satelit pe orbită medie spre înaltă și rețelele QKD cu fibră terestră. „Credem că munca noastră va contribui la un domeniu atractiv de cercetare privind modul de construire a constelației optime de satelit”, spune Pan.
