Internet kryllar av mycket känslig information. Sofistikerade krypteringstekniker säkerställer i allmänhet att sådant innehåll inte kan fångas upp och läsas. Men i framtiden kan högpresterande kvantdatorer knäcka dessa nycklar på några sekunder. Det är alltså lika bra att kvantmekaniska tekniker inte bara möjliggör nya, mycket snabbare algoritmer, utan också mycket effektiv kryptografi.

Quantum key distribution (QKD) – som jargongen har det – är säker mot attacker på kommunikationskanalen, men inte mot attacker på eller manipulationer av själva enheterna. Enheterna kunde därför mata ut en nyckel som tillverkaren tidigare sparat och som kan tänkas ha vidarebefordrat till en hackare. Med enhetsoberoende QKD (förkortat DIQKD) är det en annan historia. Här är det kryptografiska protokollet oberoende av vilken enhet som används. Teoretiskt känd sedan 1990-talet har denna metod nu experimentellt realiserats för första gången, av en internationell forskargrupp ledd av LMU-fysikern Harald Weinfurter och Charles Lim från National University of Singapore (NUS).

För utbyte av kvantmekaniska nycklar finns det olika metoder tillgängliga. Antingen skickas ljussignaler av sändaren till mottagaren, eller så används intrasslade kvantsystem. I det aktuella experimentet använde fysikerna två kvantmekaniskt intrasslade rubidiumatomer, belägna i två laboratorier belägna 400 meter från varandra på LMU-campus. De två platserna är anslutna via en 700 meter lång fiberoptisk kabel som går under Geschwister Scholl-torget framför huvudbyggnaden.

För att skapa en intrassling exciterar forskarna först var och en av atomerna med en laserpuls. Efter detta faller atomerna spontant tillbaka till sitt grundtillstånd, var och en avger därigenom en foton. På grund av bevarandet av rörelsemängd är atomens spinn intrasslad med polariseringen av dess emitterade foton. De två ljuspartiklarna färdas längs den fiberoptiska kabeln till en mottagarstation, där en gemensam mätning av fotonerna indikerar en intrassling av de atomära kvantminnena.

För att byta en nyckel mäter Alice und Bob – som de två parterna vanligtvis dubbas av kryptografer – kvanttillstånden för sin respektive atom. I varje fall görs detta slumpmässigt i två eller fyra riktningar. Om riktningarna överensstämmer är mätresultaten identiska på grund av intrassling och kan användas för att generera en hemlig nyckel. Med de övriga mätresultaten kan en så kallad Bell-ojämlikhet utvärderas. Fysikern John Stewart Bell utvecklade ursprungligen dessa ojämlikheter för att testa om naturen kan beskrivas med dolda variabler. "Det visade sig att det inte kan", säger Weinfurter. I DIQKD används testet "specifikt för att säkerställa att det inte förekommer några manipulationer vid enheterna – det vill säga till exempel att dolda mätresultat inte har sparats i enheterna i förväg", förklarar Weinfurter.

I motsats till tidigare tillvägagångssätt använder det implementerade protokollet, som utvecklats av forskare vid NUS, två mätinställningar för nyckelgenerering istället för en:"Genom att introducera den extra inställningen för nyckelgenerering blir det svårare att fånga upp information, och därför protokoll kan tolerera mer brus och generera hemliga nycklar även för tillstånd av lägre kvalitet, säger Charles Lim.

Med konventionella QKD-metoder, däremot, garanteras säkerheten endast när de använda kvantanordningarna har karakteriserats tillräckligt väl. "Och så, användare av sådana protokoll måste förlita sig på de specifikationer som tillhandahålls av QKD-leverantörerna och lita på att enheten inte kommer att växla till ett annat driftläge under nyckeldistributionen", förklarar Tim van Leent, en av de fyra huvudförfattarna till papper tillsammans med Wei Zhang och Kai Redeker. Det har varit känt i minst ett decennium att äldre QKD-enheter lätt kan hackas utifrån, fortsätter van Leent.

"Med vår metod kan vi nu generera hemliga nycklar med okarakteriserade och potentiellt opålitliga enheter", förklarar Weinfurter. I själva verket hade han sina tvivel initialt om experimentet skulle fungera. Men hans team bevisade att hans farhågor var ogrundade och förbättrade kvaliteten på experimentet avsevärt, vilket han glatt erkänner. Vid sidan av samarbetsprojektet mellan LMU och NUS demonstrerade en annan forskargrupp från University of Oxford den enhetsoberoende nyckeldistributionen. För att göra detta använde forskarna ett system som består av två intrasslade joner i samma laboratorium. "Dessa två projekt lägger grunden för framtida kvantnätverk, där absolut säker kommunikation är möjlig mellan långt avlägsna platser", säger Charles Lim.

Ett av nästa mål är att utöka systemet till att inkludera flera intrasslade atompar. "Detta skulle tillåta många fler intrasslingstillstånd att genereras, vilket ökar datahastigheten och i slutändan nyckelsäkerheten", säger van Leent. Dessutom vill forskarna öka utbudet. I den nuvarande uppställningen begränsades den av förlusten av ungefär hälften av fotonerna i fibern mellan laboratorierna. I andra experiment kunde forskarna omvandla fotonernas våglängd till en region med låg förlust som är lämplig för telekommunikation. På så sätt, för bara lite extra buller, lyckades de öka räckvidden för kvantnätsanslutningen till 33 kilometer.

Forskningen publicerades i Nature . + Utforska vidare

Forskare uppnår rekordtrassling av kvantminnen