Дві незалежні дослідницькі групи продемонстрували протокол для розповсюдження ключів з квантовим шифруванням за допомогою методу, який напевно залишить потенційних мережевих хакерів у невіданні. Протокол, який отримав назву «незалежний від пристрою квантовий розподіл ключів», був вперше запропонований три десятиліття тому, але раніше не був реалізований експериментально через технічні обмеження, які дослідники тепер подолали.
Більшість людей регулярно використовують шифрування, щоб інформація, яку вони передають через Інтернет (наприклад, дані кредитної картки), не потрапила до чужих рук. Математичні основи сучасного шифрування достатньо надійні, тому зашифровані «ключі» неможливо зламати навіть за допомогою найшвидших суперкомп’ютерів. Однак це класичне шифрування може бути під загрозою з боку майбутніх квантових комп’ютерів.
Одним із рішень цієї проблеми є квантовий розподіл ключів (QKD), який використовує квантові властивості фотонів, а не математичні алгоритми як основу для шифрування. Наприклад, якщо відправник використовує заплутані фотони для передачі ключа одержувачу, будь-якого хакера, який намагатиметься шпигувати за цим зв’язком, буде легко виявити, оскільки їхнє втручання порушить заплутаність. Тому QKD дозволяє двом сторонам генерувати безпечні секретні ключі, які вони можуть використовувати для обміну інформацією.
Вразливі пристрої
Але тут є заковика. Навіть якщо інформація надсилається безпечним способом, хтось все одно може отримати знання про ключ, зламавши пристрої відправника та/або одержувача. Оскільки QKD зазвичай передбачає, що пристрої підтримують ідеальне калібрування, будь-які відхилення може бути важко виявити, що робить їх схильними до компрометації.
Альтернативою є незалежний від пристрою QKD (DIQKD), який, як випливає з назви, працює незалежно від стану пристрою. DIQKD працює наступним чином. Два користувача, які традиційно називаються Аліса та Боб, мають по одній частинці заплутаної пари. Вони самостійно вимірюють частинки, використовуючи суворий набір експериментальних умов. Ці вимірювання поділяються на ті, які використовуються для створення ключа для шифрування, і ті, які використовуються для підтвердження заплутаності. Якщо частинки заплутані, виміряні значення порушуватимуть умови, відомі як нерівності Белла. Встановлення цього порушення гарантує, що процес генерації ключів не було підроблено.
Високоточне заплутування, низький рівень бітових помилок
У новому дослідженні, яке описано в природа, міжнародна група з Оксфордського університету (Велика Британія), CEA (Франція) і EPFL, Женевського університету та ETH (усі в Швейцарії) провела свої вимірювання на парі захоплених іонів стронцію-88, розташованих на відстані двох метрів один від одного. Коли ці іони збуджуються до вищого електронного стану, вони спонтанно розпадаються, випромінюючи по одному фотону. Потім виконується вимірювання стану дзвоника (BSM) для обох фотонів, щоб сплутати іони. Щоб забезпечити збереження всієї інформації в налаштуваннях, іони потім направляються в інше місце, де вони використовуються для виконання протоколу вимірювання DIQKD. Після цього послідовність повторюється.
Протягом майже восьми годин команда створила 1.5 мільйона заплутаних пар Bell і використала їх для створення спільного ключа довжиною 95 884 біт. Це стало можливим завдяки тому, що точність заплутування була високою — 96 %, тоді як коефіцієнт квантової бітової помилки був низьким — 1.44 %. Тим часом вимірювання нерівності Белла дали значення 2.64, що значно перевищує класичну межу 2, що означає, що заплутаність не перешкоджала.
В окремому експерименті, також описаному в природа, Дослідники з німецького Університету Людвіга-Максиміліана (LMU) і Національного університету Сінгапуру (NUS) використали пару оптично захоплених атомів рубідію-87, розташованих у лабораторіях на відстані 400 метрів одна від одної та з’єднаних оптичним волокном довжиною 700 метрів. Подібно до протоколу іншої команди, атоми збуджуються, а фотони, які вони випромінюють, коли повертаються до основного стану, використовуються для виконання BSM, який сплутує два атоми. Потім стани атомів вимірюються шляхом їх іонізації до певного стану. Оскільки іонізовані атоми втрачаються з пастки, вимірювання флуоресценції для перевірки присутності атома завершує протокол.
Команда LMU-NUS повторила цю послідовність 3 рази протягом періоду вимірювання в 342 годин, зберігаючи точність заплутування 75% і частоту квантових бітових помилок 89.2%. Вимірювання нерівності Белла дало результат 7.8, ще раз доводячи, що заплутаність залишалася незмінною протягом періоду вимірювання.
Тепер зробіть це практичним
Щоб DIQKD став практичним методом шифрування, обидві команди погоджуються, що швидкість генерації ключів потрібно збільшити. Так само будуть і відстані між Алісою та Бобом. Одним із способів оптимізації системи може бути використання порожнин для підвищення швидкості збирання фотонів. Іншим кроком було б розпаралелити процес генерації заплутаності за допомогою масивів окремих атомів/іонів, а не пар. Крім того, обидві команди генерують фотони на довжинах хвиль із високими втратами всередині оптичних волокон: 422 нм для стронцію та 780 нм для рубідію. Це можна вирішити за допомогою квантового перетворення частоти, яке зміщує фотони в ближню інфрачервону область, де оптичні волокна, що використовуються для телекомунікацій, демонструють набагато менші втрати.
Тім ван Лент, аспірант LMU та один із провідних авторів статті LMU-NUS, зазначає, що ключі, створені командою Oxford-CEA-Switzerland, були безпечними за так званих припущень безпеки кінцевого ключа, що він називає «великим досягненням». ”. Він додає, що робота іншої команди над впровадженням усіх необхідних кроків у протоколі QKD створює важливий прецедент, вказуючи, що якість заплутаності, про яку повідомляється в цьому експерименті, є найвищою на сьогодні серед квантових спогадів на основі віддаленої матерії.
Квантову систему криптографії зламано
Ніколя Сангуар, фізик з CEA, який є одним із провідних дослідників проекту, каже, що дослідникам LMU-NUS вдалося продемонструвати, що заплутані стани можуть поширюватися на сотні метрів із якістю, яка, в принципі, є достатньо високою для створення пристрою -незалежний квантовий розподіл ключів. Він додає, що труднощі, які їм довелося подолати, служать гарною ілюстрацією проблем, які незалежний від пристрою QKD все ще створює для платформ квантових мереж. Витягти ключ із необроблених даних залишається особливо складним, додає він, оскільки кількості повторень експерименту недостатньо, щоб отримати ключ із результатів вимірювань.
