Spanska forskare har utvecklat ett kvantkryptografinätverk integrerat i ett kommersiellt optiskt nätverk genom teknologier baserade på mjukvarudefinierat nätverk (SDN), möjliggör implementering av kvant- och klassiska nätverkstjänster på en flexibel, dynamiskt och skalbart sätt.

Nätverket använder en infrastruktur av fiber tillhandahållen av Telefonica Spain som kopplar samman tre anläggningar belägna i huvudstadsområdet Madrid. Rättegången har pågått sedan maj förra året, och en preliminär rapport presenterades nyligen på QCRYPT2018, den största konferensen på området.

Nätverket integrerar enheter för kvantnyckeldistribution (QKD) utvecklade av Huawei Research Lab i München. Att integrera alla tekniska element gjorde det möjligt att visa att QKD-tekniker kan tillämpas i en verklig produktionsmiljö, kombinerar överföring av data och kvantnycklar över samma fiber.

Hanteringen av kvantkanalerna och de klassiska kanalerna sker på ett integrerat sätt genom SDN-tekniker, dela det optiska nätverket på ett optimalt sätt. Det faktum att detta har utvecklats på en befintlig infrastruktur med hjälp av standardkommunikationssystem belyser mognad av denna teknik, som gör det möjligt att växla mellan länkar som förbinder punkter som kan vara upp till 60 kilometer från varandra.

Tjugo kanaler kan dela samma fiber i samma optiska band som använder kvantkanalen, möjliggör samtidig överföring av kvantsignaler med mer än två terabyte per sekund av data i storstadsnätverk när standardmoduler på 100 gigabyte per sekund används.

En avancerad säkerhetskvantlösning

Säker kommunikation är baserad på kryptografi, där informationen krypteras med en hemlig nyckel. Endast de användare som känner till dekrypteringsnyckeln kan komma åt de hemliga meddelandena. De kryptografiska tekniker som för närvarande används för att utbyta nycklar eller elektroniskt signera dokument är baserade på matematiska problem som kräver alltför lång tid att lösa, förbjuda intrång. Dock, när datorkapaciteten ökar, tiden till lösning minskar, tillsammans med säkerheten för dessa metoder.

För att undvika detta problem, storleken på nycklarna har fått öka i takt med att datorkapaciteten har växt. Dessa tekniker kan bli helt föråldrade med framväxten av kvantdatorer som kan lösa för närvarande svårlösta problem med hjälp av kvantmekanikens principer. Dessa inkluderar att bryta nycklarna som genereras av de mest använda kryptografiska metoderna, gör majoriteten av kommunikationssäkerhetsinfrastrukturen värdelös.

Ändå, kvantteknologier erbjuder en lösning på sårbarheten hos nuvarande metoder. Med dessa tekniker, det är möjligt att tillämpa kvantprinciper för att generera en hemlig nyckel genom en offentlig kommunikationskanal, så att nyckeln är säker mot alla attacker, inklusive en från en kvantdator. Kvantteknik gör det till och med möjligt att upptäcka alla attackförsök omedelbart.

Kvantteknologier

Kvantnyckeldistribution är en av dessa tekniker. Det löser inte bara problemet med det hot som kvantberäkning utgör mot kryptografiska nyckelgenereringsalgoritmer som redan används, det kan också ge en mycket högre säkerhetsnivå. QKD kräver en fysisk infrastruktur av optiska fibrer, som den som tillhandahålls av Telefónica Spain används för att ansluta kommunikationscentra i pilotprogrammet.

Tills nu, Viabiliteten av QKD har visats i laboratorier och i kontrollerade fältförsök, men det har alltid funnits problem med möjligheten att distribuera den på en kommersiell infrastruktur och att integrera den med operativa mekanismer för en sådan infrastruktur. Denna erfarenhet visar att det är möjligt att övervinna dessa hinder.

I nätverket, en ny kvantteknologi har också använts för distribution av kvantnycklar baserade på "kontinuerliga variabler" QKD (CV-QKD) som är mer kompatibel med klassisk teknologi än befintliga. Kombinationen av dessa teknologier har möjliggjort ett komplett integrerat nätverk av klassisk och kvantkommunikation.

Utplaceringen över en befintlig kommunikationsinfrastruktur och användningen av standardtelekommunikationssystem som har uppnåtts i detta försök är den första i sitt slag, demonstrerar denna tekniks kapacitet för verklig användning.