Raziskovalci na Kitajskem so dosegli pomemben mejnik v kvantni distribuciji ključev vesolje-zemlja (QKD) s prikazom funkcionalnega terminala QKD s polovico manjšo maso prejšnjega sistema. Po pošiljanju novega terminala v vesolje v orbito Zemlje na krovu vesoljskega laboratorija Tiangong-2 so znanstveniki na Nacionalni laboratorij Hefei in Kitajska univerza za znanost in tehnologijo (USTC) je med 19. oktobrom 23 in 2018. februarjem 13 izvedlo serijo 2019 poskusov, pri čemer je uspešno posredovalo kvantne ključe med satelitom in štirimi postajami na zemlji v 15 ločenih dneh.
Tako kot drugi terminali QKD se naprava v tej študiji opira na kvantno obnašanje svetlobe, da ustvari vrste šifrirnih ključev, ki so potrebni za zaščito podatkov. »QKD uporablja temeljno enoto svetlobe – posamezne fotone – za kodiranje informacij med dvema oddaljenima uporabnikoma,« pojasnjuje Jian-Wei Pan, fizik pri USTC in soavtor prispevka o raziskavi v Optica. »Na primer, oddajnik lahko naključno kodira informacije o polarizacijskih stanjih fotonov, kot so vodoravno, navpično, linearno +45° ali linearno –45°. Na sprejemniku je mogoče izvesti podobno dekodiranje stanja polarizacije in pridobiti neobdelane ključe. Po popravku napak in povečanju zasebnosti je mogoče ekstrahirati končne varne ključe.«
Varnost za prihodnost
Novi zmanjšani terminal QKD je dobra novica za uporabnike z visokimi varnostnimi zahtevami. Čeprav je tradicionalna kriptografija z javnim ključem trenutno eden najboljših načinov šifriranja, temelji na dejstvu, da klasični računalniki preprosto ne morejo rešiti določenih problemov v razumnem času. Vendar te nerešljive matematične funkcije delujejo samo, če heker uporablja klasičen računalnik. Kot poudarja Pan, bi lahko kvantni računalnik v prihodnosti preprosto uporabil Shorjev algoritem razbiti tudi najboljše trenutne kriptografske metode.
Če lahko kvantni računalniki zlomijo klasično šifriranje, bi bila ena od možnih rešitev uporaba kvantnega šifriranja, če je primerno. »QKD ponuja informacijsko varno rešitev za problem izmenjave ključev,« pravi Pan. »Kvantni izrek o nekloniranju narekuje, da neznanega kvantnega stanja ni mogoče zanesljivo klonirati. Če prisluškovalec poskuša prisluškovati QKD, neizogibno vnese motnje v kvantne signale, ki jih bodo nato zaznali uporabniki QKD.”
Paul Kwiat, fizik na Univerzi Illinois v Urbana-Champaignu v ZDA, ki ni bil vključen v raziskavo, dodaja, da morajo biti vsi napadi na QKD izvedeni v času prenosa. »V tem smislu je QKD včasih opisan kot 'prihodnost' – ni pomembno, kakšno računsko moč bo neki nasprotnik razvil čez 10 let (kar bi bilo pomembno za kriptografijo z javnim ključem); vse, kar je pomembno, so zmožnosti, ki jih ima prisluškovalec, ko je kvantni ključ prvotno razdeljen,« pravi Kwiat, ki vodi oddelek za kvantne komunikacije at Q-NASLEDNJI, raziskovalni konzorcij, ki se osredotoča na izzive kvantnih informacij.
Omejitev dnevne svetlobe
Medtem ko je prejšnje delo QKD potekalo z drugo napravo na satelitu Micius, so raziskovalci v zadnji študiji lahko zmanjšali maso terminala z integracijo tovora QKD z drugimi sistemi, kot so nadzorna elektronika, optika in teleskopi. To je velik korak naprej, vendar člani ekipe Hefei–USTC še niso končali. Eden od izzivov, ki jih omenjajo v svojem dokumentu, je, da trenutno ne morejo upravljati terminala podnevi. To je zato, ker sipanje sončne svetlobe ustvarja hrup v ozadju, ki je za pet do šest velikosti večji od tistega, ki ga opazimo pri poskusih, izvedenih ponoči. Kljub temu Pan in njegovi sodelavci delajo na tehnologijah, kot so optimizacija valovne dolžine, spektralno filtriranje in prostorsko filtriranje, da bi omogočili delovanje dnevne svetlobe QKD.
Od naprave neodvisen QKD približuje kvantni internet, ki ga ni mogoče vdreti
Pan navaja, da ima ekipa velike načrte, ki naj bi dosegli vrhunec z ustvarjanjem globalnega kvantnega omrežja, integriranega s satelitom in zemljo, ki lahko nudi storitve uporabnikom po vsem svetu. Po uspehu tega dela bo ekipa začela konstruirati kvantno satelitsko konstelacijo, sestavljeno iz več nizkoorbitalnih satelitov, srednje do visokoorbitalnih satelitov in zemeljskih vlaken QKD omrežij. "Menimo, da bo naše delo prispevalo k privlačnemu področju raziskav o tem, kako sestaviti optimalno satelitsko konstelacijo," pravi Pan.
