Дослідники з Китаю досягли важливої віхи в квантовому розподілі ключів (QKD) космос-земля, продемонструвавши функціональний QKD-термінал, маса якого вдвічі менша за попередню систему. Відправивши новий термінал у космос на орбіту Землі на борту космічної лабораторії Tiangong-2, вчені з Національна лабораторія Хефей і Університет науки і техніки Китаю (USTC) провів серію з 19 експериментів у період з 23 жовтня 2018 року по 13 лютого 2019 року, успішно передавши квантові ключі між супутником і чотирма наземними станціями протягом 15 окремих днів.
Як і інші термінали QKD, пристрій у цьому дослідженні покладається на квантову поведінку світла для створення типів ключів шифрування, необхідних для захисту даних. «QKD використовує фундаментальну одиницю світла – окремі фотони – для кодування інформації між двома віддаленими користувачами», – пояснює Цзянь-Вей Пан, фізик з USTC і співавтор статті про дослідження в Optica. «Наприклад, передавач може випадковим чином кодувати інформацію про стани поляризації фотонів, такі як горизонтальна, вертикальна, лінійна +45° або лінійна –45°. У приймачі може бути виконано аналогічне декодування стану поляризації, і можна отримати необроблені ключі. Після виправлення помилок і посилення конфіденційності остаточні захищені ключі можна витягти».
Безпека на майбутнє
Новий зменшений QKD-термінал є гарною новиною для користувачів із високими вимогами до безпеки. Хоча традиційна криптографія з відкритим ключем наразі є одним із найкращих засобів шифрування, вона базується на тому факті, що класичні комп’ютери просто не можуть вирішити певні проблеми за розумний проміжок часу. Однак ці складні математичні функції працюють, лише якщо хакер використовує класичний комп’ютер. Як зазначає Пан, квантовий комп’ютер у майбутньому може просто використовувати алгоритм Шора щоб зламати навіть найкращі поточні методи криптографії.
Якщо квантові комп’ютери можуть зламати класичне шифрування, одним із можливих рішень буде використання квантового шифрування, якщо це можливо. «QKD забезпечує інформаційно-безпечне рішення проблеми обміну ключами», — каже Пан. «Теорема квантової заборони клонування диктує, що невідомий квантовий стан не може бути надійно клонований. Якщо підслуховувач намагається підслухати QKD, він неминуче вносить перешкоди в квантові сигнали, які потім будуть виявлені користувачами QKD».
Павло Квіт, фізик з Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн, США, який не брав участі в дослідженні, додає, що будь-які атаки на QKD повинні здійснюватися під час передачі. «У цьому сенсі QKD іноді описують як «доказ майбутнього» — не має значення, яку обчислювальну потужність розвине противник через 10 років (що мало б значення для криптографії з відкритим ключем); все, що має значення, — це можливості, які має перехоплювач, коли квантовий ключ спочатку розповсюджується», — каже Квіт, який очолює відділ квантових комунікацій at Q-ДАЛІ, дослідницький консорціум, який зосереджується на проблемах квантової інформації.
Обмеження денного світла
Хоча попередня робота QKD проводилася з іншим пристроєм на супутнику Micius, в останньому дослідженні дослідники змогли зменшити масу терміналу шляхом інтеграції корисного навантаження QKD з іншими системами, такими як керуюча електроніка, оптика та телескопи. Це великий крок вперед, але члени команди Hefei–USTC ще не закінчили. Однією з проблем, яку вони згадують у своїй статті, є те, що вони не можуть запустити термінал протягом дня. Це пов’язано з тим, що розсіювання сонячного світла створює фоновий шум, який на п’ять-шість порядків перевищує той, який спостерігають під час експериментів, які проводяться вночі. Тим не менш, Пан і його колеги працюють над такими технологіями, як оптимізація довжини хвилі, спектральна фільтрація та просторова фільтрація, щоб увімкнути роботу денного світла QKD.
Апаратно-незалежний QKD наближає незламний квантовий Інтернет
Пан заявляє, що команда має великі плани, кульмінацією яких, сподіваюся, стане створення глобальної супутниково-земельної інтегрованої квантової мережі, яка зможе надавати послуги користувачам у всьому світі. Після успіху цієї роботи команда почне будувати квантову супутникову групу, що складається з кількох низькоорбітальних супутників, середньо-високоорбітального супутника та наземних оптоволоконних мереж QKD. «Ми вважаємо, що наша робота сприятиме привабливій галузі дослідження того, як побудувати оптимальне супутникове угруповання», — говорить Пан.
