İki bağımsız araştırma grubu, kuantum şifreli anahtarların, olası ağ korsanlarını karanlıkta bırakacak bir yöntemle dağıtılmasına yönelik bir protokol gösterdi. Cihazdan bağımsız kuantum anahtar dağıtımı olarak adlandırılan protokol, ilk olarak otuz yıl önce önerildi ancak araştırmacıların artık üstesinden geldiği teknik sınırlamalar nedeniyle daha önce deneysel olarak gerçekleştirilmemişti.
Çoğu kişi, İnternet üzerinden aktardıkları bilgilerin (kredi kartı bilgileri gibi) yanlış ellere geçmemesini sağlamak için düzenli olarak şifreleme kullanır. Günümüz şifrelemesinin matematiksel temelleri, şifrelenmiş "anahtarların" en hızlı süper bilgisayarlarla bile kırılamayacağı kadar sağlamdır. Ancak bu klasik şifreleme, gelecekteki kuantum bilgisayarlardan dolayı risk altında olabilir.
Bu soruna bir çözüm, şifrelemenin temeli olarak matematiksel algoritmalar yerine fotonların kuantum özelliklerini kullanan kuantum anahtar dağıtımıdır (QKD). Örneğin, gönderici, alıcıya bir anahtar iletmek için dolaşmış fotonları kullanıyorsa, bu iletişimi gözetlemeye çalışan herhangi bir bilgisayar korsanının tespit edilmesi kolay olacaktır çünkü onların müdahalesi dolanıklığı bozacaktır. Bu nedenle QKD, iki tarafın bilgi paylaşmak için kullanabilecekleri güvenli, gizli anahtarlar oluşturmasına olanak tanır.
Güvenlik açığı olan cihazlar
Ama bir sorun var. Bilgiler güvenli bir şekilde gönderilse bile, birisi gönderenin ve/veya alıcının cihazlarını hackleyerek anahtar hakkında bilgi sahibi olabilir. QKD genel olarak cihazların mükemmel kalibrasyonu sürdürdüğünü varsaydığından herhangi bir sapmanın tespit edilmesi zor olabilir ve bu da cihazları tehlikeye atmaya açık hale getirir.
Bir alternatif, adından da anlaşılacağı gibi cihazın durumundan bağımsız olarak çalışan cihazdan bağımsız QKD'dir (DIQKD). DIQKD aşağıdaki gibi çalışır. Geleneksel olarak Alice ve Bob olarak adlandırılan iki kullanıcının her biri, dolanık bir çiftin bir parçacığına sahiptir. Parçacıkları katı deneysel koşullar kullanarak bağımsız olarak ölçerler. Bu ölçümler, şifreleme için bir anahtar oluşturmak için kullanılanlar ve dolaşıklığı doğrulamak için kullanılanlar olarak ikiye ayrılır. Parçacıklar birbirine dolanırsa ölçülen değerler Bell eşitsizlikleri olarak bilinen koşulları ihlal edecektir. Bu ihlalin tespit edilmesi, anahtar oluşturma sürecinin tahrif edilmediğini garanti eder.
Yüksek doğrulukta dolaşıklık, düşük bit hata oranı
Açıklanan yeni araştırmada, TabiatOxford Üniversitesi (İngiltere), CEA (Fransa) ve EPFL, Cenevre Üniversitesi ve ETH'den (tümü İsviçre'de) uluslararası bir ekip, ölçümlerini iki metre aralıklarla yerleştirilmiş bir çift hapsolmuş stronsiyum-88 iyonu üzerinde gerçekleştirdi. Bu iyonlar daha yüksek bir elektronik duruma uyarıldığında, her biri birer foton yayarak kendiliğinden bozunurlar. Daha sonra iyonları dolaştırmak için her iki foton üzerinde bir Çan durumu ölçümü (BSM) gerçekleştirilir. Tüm bilgilerin kurulum dahilinde tutulduğundan emin olmak için iyonlar daha sonra DIQKD ölçüm protokolünü gerçekleştirmek için kullanılacakları farklı bir konuma yönlendirilir. Bundan sonra dizi tekrarlanır.
Ekip, yaklaşık sekiz saatlik bir süre boyunca 1.5 milyon dolaşmış Bell çifti oluşturdu ve bunları 95 bit uzunluğunda paylaşılan bir anahtar oluşturmak için kullandı. Bu mümkün oldu çünkü dolanıklığın aslına uygunluğu %884 ile yüksek, kuantum bit hata oranı ise %96 ile düşüktü. Bu arada Bell eşitsizliği ölçümleri, klasik sınır olan 1.44'nin çok üzerinde, 2.64'lük bir değer üretti; bu, dolaşıklığın engellenmediği anlamına geliyor.
Ayrıca açıklanan ayrı bir deneyde Tabiat, Almanya'nın Ludwig-Maximilian Üniversitesi (LMU) ve Singapur Ulusal Üniversitesi'ndeki (NUS) araştırmacılar, birbirinden 87 metre uzaktaki laboratuvarlarda bulunan ve 400 metre uzunluğunda bir optik fiberle birbirine bağlanan bir çift optik olarak hapsedilmiş rubidyum-700 atomu kullandılar. Diğer ekibin protokolüne benzer şekilde, atomlar uyarılır ve temel durumlarına geri dönerken yaydıkları fotonlar, iki atomu dolaştıran bir BSM gerçekleştirmek için kullanılır. Daha sonra atomun durumları, onları belirli bir duruma iyonlaştırarak ölçülür. İyonize atomlar tuzaktan kaybolduğundan, atomun varlığını kontrol etmek için yapılan bir floresans ölçümü protokolü tamamlar.
LMU-NUS ekibi bu diziyi 3 saatlik bir ölçüm periyodu boyunca 342 kez tekrarlayarak %75'lik bir dolaşıklık doğruluğunu ve %89.2'lik bir kuantum bit hata oranını korudu. Bell eşitsizliği ölçümü 7.8 sonucunu verdi ve bu da ölçüm süresi boyunca dolaşıklığın bozulmadan kaldığını bir kez daha kanıtladı.
Şimdi bunu pratik hale getirin
DIQKD'nin pratik bir şifreleme yöntemi haline gelmesi için her iki ekip de anahtar üretim oranlarının artması gerektiği konusunda hemfikir. Aynı şekilde Alice ile Bob arasındaki mesafeler de artacaktır. Sistemi optimize etmenin bir yolu, foton toplama oranlarını iyileştirmek için boşlukları kullanmak olabilir. Diğer bir adım, çiftler yerine tek atom/iyon dizilerini kullanarak dolaşıklık oluşturma sürecini paralelleştirmek olacaktır. Ek olarak, her iki ekip de optik fiberlerin içinde yüksek kayıplara sahip dalga boylarında fotonlar üretiyor: stronsiyum için 422 nm ve rubidyum için 780 nm. Bu sorun, fotonları telekomünikasyon için kullanılan optik fiberlerin çok daha düşük kayıp sergilediği yakın kızılötesi bölgeye kaydıran kuantum frekans dönüşümü yoluyla çözülebilir.
Tim van LeentLMU'da doktora öğrencisi ve LMU-NUS makalesinin ortak yazarlarından biri olan Oxford-CEA-İsviçre ekibinin ürettiği anahtarların, "büyük bir başarı" olarak adlandırdığı sözde sonlu anahtar güvenlik varsayımları altında güvenli olduğunu belirtiyor. ”. Diğer ekibin QKD protokolünde gerekli tüm adımları uygulamaya yönelik çalışmasının önemli bir emsal teşkil ettiğini ekleyerek, bu deneyde rapor edilen dolaşıklık kalitesinin, uzak madde tabanlı kuantum anılar arasında şimdiye kadarki en yüksek kalite olduğuna dikkat çekiyor.
Kuantum kriptografi sistemi hacklendi
Nicolas SangouardProjenin baş araştırmacılarından biri olan CEA'da fizikçi olan LMU-NUS araştırmacıları, dolanık durumların, prensip olarak cihaz gerçekleştirmeye yetecek kadar yüksek bir kalitede, yüzlerce metreye dağıtılabileceğini göstermeyi başardıklarını söylüyor. -bağımsız kuantum anahtar dağıtımı. Üstesinden gelmek zorunda oldukları zorlukların, cihazdan bağımsız QKD'nin kuantum ağ platformları için hala teşkil ettiği zorlukların iyi bir örneği olduğunu ekliyor. Ham verilerden bir anahtar çıkarmanın özellikle zor olduğunu, çünkü deneysel tekrarların sayısının ölçüm sonuçlarından bir anahtar çıkarmak için yeterli olmadığını ekliyor.
