ขั้วต่อแบบบางลงส่งคีย์ควอนตัมจากอวกาศ

นักวิจัยในประเทศจีนประสบความสำเร็จครั้งสำคัญในการกระจายคีย์ควอนตัมจากอวกาศสู่พื้น (QKD) โดยการสาธิตเทอร์มินัล QKD ที่ใช้งานได้ซึ่งมีมวลเพียงครึ่งหนึ่งของระบบก่อนหน้านี้ หลังจากส่งเทอร์มินัลใหม่ขึ้นสู่อวกาศเพื่อโคจรรอบโลกด้วยห้องปฏิบัติการอวกาศ Tiangong-2 นักวิทยาศาสตร์ที่ ห้องปฏิบัติการแห่งชาติเหอเฟย และ มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีน (USTC) ได้ทำการทดลอง 19 ชุดระหว่างวันที่ 23 ตุลาคม 2018 ถึงวันที่ 13 กุมภาพันธ์ 2019 โดยสามารถส่งสัญญาณควอนตัมคีย์ระหว่างดาวเทียมกับสถานี 15 สถานีบนพื้นได้สำเร็จใน XNUMX วันแยกกัน

เช่นเดียวกับเทอร์มินัล QKD อื่นๆ อุปกรณ์ในการศึกษานี้อาศัยพฤติกรรมควอนตัมของแสงเพื่อสร้างคีย์เข้ารหัสประเภทต่างๆ ที่จำเป็นในการปกป้องข้อมูล “QKD ใช้หน่วยพื้นฐานของแสง – โฟตอนเดี่ยว – เพื่อเข้ารหัสข้อมูลระหว่างผู้ใช้ที่อยู่ห่างไกลสองคน” Jian-Wei Pan นักฟิสิกส์จาก USTC และผู้ร่วมเขียนบทความเกี่ยวกับการวิจัยใน เลนส์. “ตัวอย่างเช่น เครื่องส่งสามารถสุ่มเข้ารหัสข้อมูลเกี่ยวกับสถานะโพลาไรเซชันของโฟตอน เช่น แนวนอน แนวตั้ง เชิงเส้น +45° หรือเชิงเส้น –45° ที่เครื่องรับ สามารถทำการถอดรหัสสถานะโพลาไรเซชันที่คล้ายกัน และสามารถรับคีย์ดิบได้ หลังจากแก้ไขข้อผิดพลาดและขยายความเป็นส่วนตัวแล้ว ก็สามารถดึงคีย์ความปลอดภัยสุดท้ายออกมาได้”

การรักษาความปลอดภัยในอนาคต

หน้าจอแสดงค่าน้ำหนัก QKD ที่เพรียวบางลงใหม่ถือเป็นข่าวดีสำหรับผู้ใช้ที่มีข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสูง แม้ว่าการเข้ารหัสคีย์สาธารณะแบบดั้งเดิมในปัจจุบันเป็นวิธีการเข้ารหัสที่ดีที่สุดวิธีหนึ่ง แต่ก็ขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่ว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกไม่สามารถแก้ไขปัญหาบางอย่างได้ในระยะเวลาที่เหมาะสม อย่างไรก็ตาม ฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์ที่เข้าใจยากเหล่านี้จะใช้งานได้ก็ต่อเมื่อแฮ็กเกอร์ใช้คอมพิวเตอร์คลาสสิกเท่านั้น ดังที่ Pan ชี้ให้เห็น คอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคตสามารถใช้งานได้ง่ายๆ อัลกอริทึมของแคระแกร็น เพื่อถอดรหัสแม้แต่วิธีการเข้ารหัสที่ดีที่สุดในปัจจุบัน

หากคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำลายการเข้ารหัสแบบคลาสสิกได้ ทางออกหนึ่งที่เป็นไปได้คือใช้การเข้ารหัสควอนตัมแทน เมื่อทำได้ “QKD นำเสนอโซลูชั่นที่ปลอดภัยของข้อมูลสำหรับปัญหาการแลกเปลี่ยนคีย์” Pan กล่าว “ทฤษฎีบทการไม่โคลนนิ่งของควอนตัมกำหนดว่าสถานะควอนตัมที่ไม่รู้จักไม่สามารถโคลนได้อย่างน่าเชื่อถือ หากผู้ดักฟังพยายามดักฟังใน QKD เธอก็ทำให้เกิดการรบกวนสัญญาณควอนตัมอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ซึ่งผู้ใช้ QKD จะถูกตรวจพบ”

พอล เกวตนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา-แชมเปญจน์ สหรัฐอเมริกา ที่ไม่เกี่ยวข้องกับการวิจัยนี้ กล่าวเสริมว่า การโจมตี QKD ใดๆ จะต้องเกิดขึ้นในขณะที่มีการแพร่เชื้อ “ในแง่นี้ บางครั้ง QKD ได้รับการอธิบายว่าเป็น 'ข้อพิสูจน์ในอนาคต' ไม่สำคัญว่าพลังในการคำนวณของฝ่ายตรงข้ามจะพัฒนาไปอย่างไรในอีก 10 ปีข้างหน้า (ซึ่งจะมีความสำคัญสำหรับการเข้ารหัสคีย์สาธารณะ) สิ่งที่สำคัญคือความสามารถที่ผู้ดักฟังมีเมื่อคีย์ควอนตัมถูกแจกจ่ายในตอนแรก” Kwiat กล่าว เป็นผู้นำแผนกการสื่อสารควอนตัม at Q-ถัดไปซึ่งเป็นกลุ่มการวิจัยที่มุ่งเน้นความท้าทายด้านข้อมูลควอนตัม

ข้อ จำกัด ตามฤดูกาล

ในขณะที่งาน QKD ก่อนหน้านี้ได้ดำเนินการกับอุปกรณ์อื่นบนดาวเทียม Micius ในการศึกษาล่าสุด นักวิจัยสามารถลดมวลของสถานีปลายทางได้โดยการบูรณาการน้ำหนักบรรทุกของ QKD เข้ากับระบบอื่นๆ เช่น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุม เลนส์ และกล้องโทรทรรศน์ นี่เป็นก้าวสำคัญในการก้าวไปข้างหน้า แต่สมาชิกของทีมเหอเฟย–USTC ยังไม่เสร็จสิ้น ความท้าทายประการหนึ่งที่พวกเขากล่าวถึงในรายงานก็คือพวกเขาไม่สามารถใช้งานเทอร์มินัลได้ในระหว่างวัน เนื่องจากการกระจายของแสงอาทิตย์ทำให้เกิดเสียงรบกวนในพื้นหลังซึ่งมีขนาดมากกว่าที่พบในการทดลองในเวลากลางคืนถึง XNUMX-XNUMX เท่า อย่างไรก็ตาม Pan และเพื่อนร่วมงานของเขากำลังทำงานเกี่ยวกับเทคโนโลยีต่างๆ เช่น การเพิ่มประสิทธิภาพความยาวคลื่น การกรองสเปกตรัม และการกรองเชิงพื้นที่ เพื่อให้สามารถดำเนินการ QKD ในเวลากลางวันได้

Pan กล่าวว่าทีมงานมีแผนใหญ่ ซึ่งหวังว่าจะถึงจุดสูงสุดในการสร้างเครือข่ายควอนตัมบูรณาการภาคพื้นดินผ่านดาวเทียมทั่วโลก ซึ่งสามารถให้บริการแก่ผู้ใช้ทั่วโลกได้ หลังจากความสำเร็จของงานนี้ ทีมงานจะเริ่มสร้างกลุ่มดาวดาวเทียมควอนตัมที่ประกอบด้วยดาวเทียมวงโคจรต่ำหลายดวง ดาวเทียมวงโคจรปานกลางถึงสูง และเครือข่าย QKD แบบไฟเบอร์ภาคพื้นดิน “เราคิดว่างานของเราจะมีส่วนช่วยในการวิจัยที่น่าสนใจเกี่ยวกับวิธีการสร้างกลุ่มดาวดาวเทียมที่เหมาะสมที่สุด” แพนกล่าว