Forskare i Kina har uppnått en stor milstolpe i kvantnyckeldistribution mellan rymden och marken (QKD) genom att demonstrera en funktionell QKD-terminal med hälften så mycket som ett tidigare system. Efter att ha skickat den nya terminalen ut i rymden för att kretsa runt jorden ombord på rymdlaboratoriet Tiangong-2, har forskare vid Hefei National Laboratory och Kinas universitet för vetenskap och teknik (USTC) genomförde en serie av 19 experiment mellan den 23 oktober 2018 och den 13 februari 2019, och överförde framgångsrikt kvantnycklar mellan satelliten och fyra stationer på marken under 15 olika dagar.
Liksom andra QKD-terminaler förlitar sig enheten i denna studie på ljusets kvantbeteende för att skapa de typer av krypteringsnycklar som behövs för att skydda data. "QKD använder den grundläggande enheten av ljus - enstaka fotoner - för att koda information mellan två avlägsna användare", förklarar Jian-Wei Pan, fysiker vid USTC och medförfattare till en artikel om forskning i Optica. "Till exempel kan sändaren slumpmässigt koda information om polarisationstillstånden för fotoner, såsom horisontell, vertikal, linjär +45° eller linjär -45°. Vid mottagaren kan liknande polarisationstillståndsavkodning utföras och rånycklarna kan erhållas. Efter felkorrigering och integritetsförstärkning kan de sista säkra nycklarna extraheras."
Framtidssäker säkerhet
Den nya slimmade QKD-terminalen är goda nyheter för användare med höga säkerhetskrav. Även om traditionell kryptering med offentliga nyckel för närvarande är ett av de bästa sätten för kryptering, bygger den på det faktum att klassiska datorer helt enkelt inte kan lösa vissa problem inom rimlig tid. Dessa svårlösta matematiska funktioner fungerar dock bara om hackaren använder en klassisk dator. Som Pan påpekar kan en kvantdator i framtiden helt enkelt använda Shors algoritm att knäcka även de bästa aktuella kryptografimetoderna.
Om kvantdatorer kan bryta klassisk kryptering, skulle en möjlig lösning vara att använda kvantkryptering istället, när det är tillämpligt. "QKD tillhandahåller en informationssäker lösning på problemet med nyckelutbyte", säger Pan. "Kvant-ingen-kloningssatsen dikterar att ett okänt kvanttillstånd inte kan klonas tillförlitligt. Om avlyssnaren försöker avlyssna i QKD, introducerar hon oundvikligen störningar på kvantsignalerna, som sedan kommer att upptäckas av QKD-användare."
Paul Kwiat, en fysiker vid University of Illinois i Urbana-Champaign, USA, som inte var involverad i forskningen, tillägger att alla attacker på QKD måste göras vid överföringstillfället. "I denna mening beskrivs QKD ibland som "framtidssäker" – det spelar ingen roll vilken beräkningskraft en motståndare utvecklar om tio år (vilket skulle ha betydelse för kryptografi med publik nyckel); allt som spelar roll är de möjligheter en avlyssnare har när kvantnyckeln initialt distribueras”, säger Kwiat, som leder kvantkommunikationsdivisionen at Q-NEXT, ett forskningskonsortium fokuserat på kvantinformationsutmaningar.
Begränsning av dagsljus
Medan tidigare QKD-arbete har utförts med en annan enhet på Micius-satelliten, kunde forskarna i den senaste studien minska terminalens massa genom att integrera QKD-nyttolasten med andra system som styrelektronik, optik och teleskop. Detta är ett stort steg framåt, men medlemmarna i Hefei–USTC-teamet är inte färdiga. En utmaning de nämner i sin tidning är att de för närvarande inte kan driva terminalen på dagtid. Detta beror på att spridning av solljus skapar bakgrundsljud som är fem till sex storleksordningar mer än vad som ses i experiment som utförs på natten. Som sagt, Pan och hans kollegor arbetar med tekniker som våglängdsoptimering, spektralfiltrering och rumslig filtrering för att möjliggöra QKD-drift i dagsljus.
Enhetsoberoende QKD för ett okackbart kvantinternet närmare
Pan uppger att teamet har stora planer, som förhoppningsvis kulminerar i skapandet av ett globalt satellit-markintegrerat kvantnätverk som kan tillhandahålla tjänster till användare över hela världen. Efter framgången med detta arbete kommer teamet att börja bygga en kvantsatellitkonstellation som består av flera satelliter med låg omloppsbana, en satellit med medelhög till hög omloppsbana och QKD-nätverk med markfiber. "Vi tror att vårt arbete kommer att bidra till ett attraktivt forskningsområde om hur man konstruerar den optimala satellitkonstellationen", säger Pan.
