Две независимые исследовательские группы продемонстрировали протокол для распространения ключей с квантовым шифрованием с помощью метода, который наверняка оставит потенциальных сетевых хакеров в неведении. Протокол, получивший название аппаратно-независимого квантового распределения ключей, был впервые предложен три десятилетия назад, но ранее не был реализован экспериментально из-за технических ограничений, которые исследователи теперь преодолели.
Большинство людей регулярно используют шифрование, чтобы гарантировать, что информация, которую они передают через Интернет (например, данные кредитной карты), не попадет в чужие руки. Математические основы современного шифрования настолько надежны, что зашифрованные «ключи» невозможно взломать даже с помощью самых быстрых суперкомпьютеров. Однако это классическое шифрование может оказаться под угрозой из-за будущих квантовых компьютеров.
Одним из решений этой проблемы является квантовое распределение ключей (QKD), в котором в качестве основы для шифрования используются квантовые свойства фотонов, а не математические алгоритмы. Например, если отправитель использует запутанные фотоны для передачи ключа получателю, любого хакера, который попытается шпионить за этим сообщением, будет легко обнаружить, потому что его вмешательство нарушит запутанность. Таким образом, QKD позволяет обеим сторонам генерировать безопасные секретные ключи, которые они могут использовать для обмена информацией.
Уязвимые устройства
Но есть одна загвоздка. Даже если информация отправляется безопасным способом, кто-то все равно может узнать ключ, взломав устройства отправителя и/или получателя. Поскольку QKD обычно предполагает, что устройства поддерживают идеальную калибровку, любые отклонения бывает трудно обнаружить, что делает их уязвимыми для компрометации.
Альтернативой является независимый от устройства QKD (DIQKD), который, как следует из его названия, работает независимо от состояния устройства. DIQKD работает следующим образом. Два пользователя, традиционно называемые Алисой и Бобом, обладают по одной частице запутанной пары. Они измеряют частицы независимо, используя строгий набор экспериментальных условий. Эти измерения делятся на те, которые используются для генерации ключа для шифрования, и те, которые используются для подтверждения запутывания. Если частицы запутаны, измеренные значения будут нарушать условия, известные как неравенства Белла. Установление этого нарушения гарантирует, что процесс генерации ключа не был изменен.
Высокоточная запутанность, низкий уровень битовых ошибок
В новом исследовании, которое описано в природаМеждународная команда из Оксфордского университета (Великобритания), CEA (Франция) и EPFL, Женевского университета и ETH (все в Швейцарии) провела измерения на паре захваченных ионов стронция-88, расположенных на расстоянии двух метров друг от друга. Когда эти ионы возбуждаются до более высокого электронного состояния, они спонтанно распадаются, испуская каждый фотон. Затем для обоих фотонов выполняется измерение состояния Белла (BSM), чтобы запутать ионы. Чтобы гарантировать, что вся информация хранится в рамках установки, ионы затем направляются в другое место, где они используются для выполнения протокола измерений DIQKD. После этого последовательность повторяется.
В течение почти восьми часов команда создала 1.5 миллиона запутанных пар Белла и использовала их для генерации общего ключа длиной 95 884 бита. Это стало возможным, потому что точность запутывания была высокой — 96 %, а частота квантовых битовых ошибок — низкой — 1.44 %. Тем временем измерения неравенства Белла дали значение 2.64, что намного выше классического предела 2, что означает, что запутанность не была затруднена.
В отдельном эксперименте, также описанном в природа, Исследователи из немецкого Университета Людвига-Максимилиана (LMU) и Национального университета Сингапура (NUS) использовали пару атомов рубидия-87 в оптической ловушке, расположенных в лабораториях на расстоянии 400 метров друг от друга и соединенных оптическим волокном длиной 700 метров. Как и в протоколе другой команды, атомы возбуждаются, и фотоны, которые они испускают, возвращаясь в свое основное состояние, используются для выполнения BSM, который запутывает два атома. Затем состояния атомов измеряются путем ионизации их до определенного состояния. Поскольку ионизированные атомы теряются из ловушки, измерение флуоресценции для проверки присутствия атома завершает протокол.
Команда LMU-NUS повторила эту последовательность 3 342 раза в течение периода измерения 75 часов, сохранив точность запутанности 89.2% и частоту квантовых битовых ошибок 7.8%. Измерение неравенства Белла дало результат 2.57, что еще раз доказывает, что запутанность оставалась неизменной в течение периода измерения.
Теперь сделайте это практичным
Обе команды согласны с тем, что для того, чтобы DIQKD стал практичным методом шифрования, необходимо увеличить скорость генерации ключей. То же самое произойдет и с расстоянием между Алисой и Бобом. Одним из способов оптимизации системы может быть использование полостей для улучшения скорости сбора фотонов. Еще одним шагом будет распараллелить процесс генерации запутанности, используя массивы отдельных атомов/ионов, а не пар. Кроме того, обе команды генерируют фотоны на длинах волн с большими потерями внутри оптических волокон: 422 нм для стронция и 780 нм для рубидия. Эту проблему можно решить с помощью квантового преобразования частоты, которое смещает фотоны в ближний инфракрасный диапазон, где оптические волокна, используемые для телекоммуникаций, демонстрируют гораздо меньшие потери.
Тим ван Лент, аспирант LMU и соавтор статьи LMU-NUS, отмечает, что ключи, сгенерированные командой Oxford-CEA-Switzerland, были защищены в соответствии с так называемыми предположениями о безопасности с конечным ключом, что он называет «большим достижением». ». Он добавляет, что работа другой команды по реализации всех необходимых шагов в протоколе КРК создает важный прецедент, указывая на то, что качество запутанности, о котором сообщается в этом эксперименте, является самым высоким на сегодняшний день среди квантовых воспоминаний, основанных на удаленной материи.
Система квантовой криптографии взломана
Николя Сангуар, физик из CEA, который является одним из ведущих исследователей проекта, говорит, что исследователям LMU-NUS удалось показать, что запутанные состояния могут быть распределены на сотни метров с качеством, которое, в принципе, достаточно высоко для работы устройства. -независимое квантовое распределение ключей. Он добавляет, что трудности, которые им пришлось преодолеть, служат хорошей иллюстрацией проблем, которые аппаратно-независимая QKD по-прежнему создает для платформ квантовых сетей. Он добавляет, что извлечение ключа из необработанных данных остается особенно сложным, поскольку количества экспериментальных повторений недостаточно для извлечения ключа из результатов измерений.
