QKD ที่ไม่ขึ้นกับอุปกรณ์ทำให้อินเทอร์เน็ตควอนตัมที่แฮ็กไม่ได้เข้ามาใกล้มากขึ้น

กลุ่มวิจัยอิสระสองกลุ่มได้สาธิตโปรโตคอลสำหรับแจกจ่ายคีย์ที่เข้ารหัสด้วยควอนตัมผ่านวิธีการที่มั่นใจได้ว่าจะทิ้งแฮกเกอร์เครือข่ายไว้ในความมืดมิด โปรโตคอลที่เรียกว่าการกระจายคีย์ควอนตัมอิสระของอุปกรณ์ได้รับการเสนอครั้งแรกเมื่อสามทศวรรษที่แล้ว แต่ยังไม่ได้รับการทดลองมาก่อนเนื่องจากข้อจำกัดทางเทคนิคซึ่งนักวิจัยได้เอาชนะแล้ว

คนส่วนใหญ่ใช้การเข้ารหัสเป็นประจำเพื่อให้แน่ใจว่าข้อมูลที่ถ่ายโอนผ่านอินเทอร์เน็ต (เช่น รายละเอียดบัตรเครดิต) จะไม่ตกไปอยู่ในมือของผู้ไม่หวังดี รากฐานทางคณิตศาสตร์ของการเข้ารหัสในปัจจุบันมีความแข็งแกร่งพอที่จะทำให้ “คีย์” ที่เข้ารหัสไม่สามารถถอดรหัสได้ แม้ว่าจะใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่เร็วที่สุดก็ตาม อย่างไรก็ตาม การเข้ารหัสแบบคลาสสิกนี้อาจมีความเสี่ยงจากคอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคต

วิธีแก้ไขปัญหาหนึ่งคือการกระจายคีย์ควอนตัม (QKD) ซึ่งใช้คุณสมบัติควอนตัมของโฟตอน แทนที่จะเป็นอัลกอริทึมทางคณิตศาสตร์ เป็นพื้นฐานสำหรับการเข้ารหัส ตัวอย่างเช่น หากผู้ส่งใช้โฟตอนที่พันกันเพื่อส่งคีย์ไปยังผู้รับ แฮกเกอร์ที่พยายามสอดแนมการสื่อสารนี้จะตรวจจับได้ง่าย เนื่องจากการแทรกแซงของพวกเขาจะรบกวนการพัวพัน QKD จึงอนุญาตให้ทั้งสองฝ่ายสร้างคีย์ลับที่ปลอดภัยที่พวกเขาสามารถใช้เพื่อแบ่งปันข้อมูลได้

อุปกรณ์เสี่ยงภัย

แต่ก็มีสิ่งที่จับได้ แม้ว่าข้อมูลจะถูกส่งด้วยวิธีที่ปลอดภัย แต่บางคนก็ยังสามารถได้รับความรู้เกี่ยวกับคีย์โดยการแฮ็กอุปกรณ์ของผู้ส่งและ/หรือผู้รับ เนื่องจากโดยทั่วไปแล้ว QKD ถือว่าอุปกรณ์มีการสอบเทียบที่สมบูรณ์แบบ การเบี่ยงเบนใดๆ จึงเป็นเรื่องยากที่จะตรวจจับ ส่งผลให้มีแนวโน้มที่จะถูกบุกรุก

อีกทางเลือกหนึ่งคือ QKD ที่ไม่ขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ (DIQKD) ซึ่งตามชื่อหมายถึงการทำงานโดยอิสระจากสถานะของอุปกรณ์ DIQKD ทำงานดังนี้ ผู้ใช้สองคน ซึ่งเดิมชื่ออลิซและบ็อบ แต่ละคนมีอนุภาคที่พันกันเป็นคู่ โดยจะวัดอนุภาคอย่างอิสระโดยใช้ชุดเงื่อนไขการทดลองที่เข้มงวด การวัดเหล่านี้แบ่งออกเป็นการวัดที่ใช้เพื่อสร้างคีย์สำหรับการเข้ารหัสและการวัดที่ใช้เพื่อยืนยันการพัวพัน หากอนุภาคพันกัน ค่าที่วัดได้จะฝ่าฝืนเงื่อนไขที่เรียกว่าอสมการของเบลล์ การสร้างการละเมิดนี้รับประกันได้ว่ากระบวนการสร้างคีย์จะไม่ถูกแก้ไข

สิ่งกีดขวางที่มีความเที่ยงตรงสูง อัตราความผิดพลาดบิตต่ำ

ในการวิจัยครั้งใหม่ซึ่งมีการอธิบายไว้ใน ธรรมชาติทีมงานนานาชาติจากมหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด (สหราชอาณาจักร) CEA (ฝรั่งเศส) และ EPFL มหาวิทยาลัยเจนีวา และ ETH (ทั้งหมดในสวิตเซอร์แลนด์) ได้ทำการตรวจวัดไอออนสตรอนเทียม-88 คู่ที่ติดอยู่ซึ่งอยู่ห่างจากกันสองเมตร เมื่อไอออนเหล่านี้ตื่นเต้นกับสถานะทางอิเล็กทรอนิกส์ที่สูงขึ้น พวกมันจะสลายตัวโดยธรรมชาติ และปล่อยโฟตอนออกมาทีละอัน จากนั้นจะทำการวัดสถานะระฆัง (BSM) กับโฟตอนทั้งสองตัวเพื่อพันไอออน เพื่อให้แน่ใจว่าข้อมูลทั้งหมดจะถูกเก็บไว้ภายในการตั้งค่า จากนั้นไอออนจะถูกนำทางไปยังตำแหน่งอื่นที่ใช้ในการดำเนินการโปรโตคอลการวัด DIQKD หลังจากนี้ลำดับจะถูกทำซ้ำ

ตลอดระยะเวลาเกือบแปดชั่วโมง ทีมงานได้สร้างคู่ Bell ที่พันกันจำนวน 1.5 ล้านคู่ และใช้มันเพื่อสร้างคีย์ที่ใช้ร่วมกันที่มีความยาว 95 บิต สิ่งนี้เป็นไปได้เนื่องจากความเที่ยงตรงของสิ่งพัวพันนั้นสูงที่ 884% ในขณะที่อัตราข้อผิดพลาดควอนตัมบิตต่ำที่ 96% การวัดความไม่เท่าเทียมกันของ Bell ขณะเดียวกันให้ค่า 1.44 ซึ่งสูงกว่าขีดจำกัดคลาสสิกที่ 2.64 อย่างมาก ซึ่งหมายความว่าความพัวพันไม่ได้ถูกขัดขวาง

ในการทดลองที่แยกออกมา ยังได้อธิบายไว้ใน ธรรมชาติ, นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยลุดวิก-แม็กซิมิเลียน (LMU) ของเยอรมนี และมหาวิทยาลัยแห่งชาติสิงคโปร์ (NUS) ใช้อะตอมรูบิเดียม-87 ที่ดักจับด้วยแสงคู่หนึ่ง ซึ่งตั้งอยู่ในห้องปฏิบัติการที่อยู่ห่างกัน 400 เมตร และเชื่อมต่อกันด้วยใยแก้วนำแสงยาว 700 เมตร เช่นเดียวกับโปรโตคอลของทีมอื่น อะตอมจะตื่นเต้น และโฟตอนที่พวกมันปล่อยออกมาเมื่อพวกมันสลายตัวกลับสู่สถานะพื้นจะถูกใช้เพื่อทำ BSM ที่พันอะตอมทั้งสองเข้าด้วยกัน จากนั้นสถานะของอะตอมจะถูกวัดโดยการแตกตัวเป็นไอออนไปยังสถานะใดสถานะหนึ่ง เนื่องจากอะตอมที่แตกตัวเป็นไอออนจะสูญเสียไปจากกับดัก การวัดค่าเรืองแสงเพื่อตรวจสอบการมีอยู่ของอะตอมจึงทำให้โปรโตคอลสมบูรณ์

ทีมงาน LMU-NUS ทำซ้ำลำดับนี้ 3 ครั้งในระยะเวลาการวัด 342 ชั่วโมง โดยรักษาความเที่ยงตรงของการพัวพันที่ 75% และอัตราความผิดพลาดควอนตัมบิตที่ 89.2% ตลอด การวัดความไม่เท่าเทียมกันของเบลล์ให้ผลลัพธ์ที่ 7.8 ซึ่งพิสูจน์อีกครั้งว่าสิ่งพัวพันยังคงเหมือนเดิมตลอดระยะเวลาการวัด

ตอนนี้ทำให้มันใช้งานได้จริง

เพื่อให้ DIQKD เป็นวิธีการเข้ารหัสที่ใช้งานได้จริง ทั้งสองทีมเห็นพ้องต้องกันว่าอัตราการสร้างคีย์จะต้องเพิ่มขึ้น ระยะห่างระหว่างอลิซกับบ็อบก็เช่นกัน วิธีหนึ่งในการปรับระบบให้เหมาะสมที่สุดคือการใช้ช่องว่างเพื่อปรับปรุงอัตราการรวบรวมโฟตอน อีกขั้นหนึ่งก็คือการทำให้กระบวนการสร้างพัวพันขนานกันโดยใช้อาร์เรย์ของอะตอม/ไอออนเดี่ยว แทนที่จะเป็นคู่ นอกจากนี้ ทั้งสองทีมสร้างโฟตอนที่ความยาวคลื่นโดยมีการสูญเสียสูงภายในเส้นใยแสง: 422 นาโนเมตรสำหรับสตรอนเซียม และ 780 นาโนเมตรสำหรับรูบิเดียม ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้ด้วยการแปลงความถี่ควอนตัม ซึ่งจะเลื่อนโฟตอนไปในบริเวณใกล้อินฟราเรด ซึ่งเส้นใยนำแสงที่ใช้สำหรับการสื่อสารโทรคมนาคมมีการสูญเสียน้อยกว่ามาก

ทิม ฟาน เลนท์นักศึกษาปริญญาเอกที่ LMU และผู้เขียนร่วมของรายงาน LMU-NUS ตั้งข้อสังเกตว่ากุญแจที่ทีม Oxford-CEA-สวิตเซอร์แลนด์สร้างขึ้นนั้นปลอดภัยภายใต้สมมติฐานที่เรียกว่าไฟไนต์คีย์ ซึ่งเขาเรียกว่า "ความสำเร็จอันยิ่งใหญ่ ". เขาเสริมว่างานของทีมอื่นในการดำเนินขั้นตอนที่จำเป็นทั้งหมดในโปรโตคอล QKD ถือเป็นแบบอย่างที่สำคัญ โดยชี้ให้เห็นว่าคุณภาพความพันกันที่รายงานในการทดลองนี้สูงที่สุดระหว่างความทรงจำควอนตัมที่ใช้สสารที่อยู่ห่างไกล

นิโคลัส แซงโกวาร์ดนักฟิสิกส์จาก CEA ซึ่งเป็นหนึ่งในหัวหน้านักวิจัยของโครงการนี้ กล่าวว่า นักวิจัยของ LMU-NUS ประสบความสำเร็จในการแสดงให้เห็นว่ารัฐที่พันกันสามารถกระจายออกไปได้ไกลหลายร้อยเมตร โดยมีคุณภาพซึ่งตามหลักการแล้ว สูงพอที่จะแสดงอุปกรณ์ได้ - การกระจายคีย์ควอนตัมอิสระ เขาเสริมว่าความยากลำบากที่พวกเขาต้องเอาชนะนั้นเป็นตัวอย่างที่ดีของความท้าทายที่ QKD ที่ไม่ขึ้นกับอุปกรณ์ยังคงมีอยู่สำหรับแพลตฟอร์มเครือข่ายควอนตัม เขากล่าวเสริมว่าการแยกคีย์ออกจากข้อมูลดิบยังคงยากเป็นพิเศษ เนื่องจากจำนวนการทดลองซ้ำไม่เพียงพอที่จะแยกคีย์ออกจากผลการวัด