Forskare vid DTU har framgångsrikt distribuerat en kvantsäker nyckel med en metod som kallas kontinuerlig variabel kvantnyckeldistribution (CV QKD). Forskarna har lyckats få metoden att fungera över en rekordstor sträcka på 100 km – den längsta sträckan som någonsin uppnåtts med CV QKD-metoden. Fördelen med metoden är att den kan appliceras på den befintliga internetinfrastrukturen.
Kvantdatorer hotar befintliga algoritmbaserade krypteringar, som för närvarande säkrar dataöverföringar mot avlyssning och övervakning. De är ännu inte tillräckligt kraftfulla för att bryta dem, men det är en tidsfråga. Om en kvantdator lyckas ta reda på de säkraste algoritmerna lämnar den en öppen dörr till all data som är ansluten via internet. Detta har påskyndat utvecklingen av en ny krypteringsmetod baserad på kvantfysikens principer.
Men för att lyckas måste forskare övervinna en av utmaningarna med kvantmekaniken – att säkerställa konsekvens över längre avstånd. Kontinuerlig variabel kvantnyckelfördelning har hittills fungerat bäst över korta avstånd.
"Vi har uppnått ett brett spektrum av förbättringar, särskilt när det gäller förlusten av fotoner längs vägen. I detta experiment, publicerat i Science Advances , distribuerade vi säkert en kvantkrypterad nyckel 100 kilometer via fiberoptisk kabel. Det här är rekordavstånd med den här metoden”, säger Tobias Gehring, docent vid DTU, som tillsammans med en grupp forskare vid DTU siktar på att kunna distribuera kvantkrypterad information runt om i världen via internet.
När data ska skickas från A till B ska den skyddas. Kryptering kombinerar data med en säker nyckel distribuerad mellan avsändare och mottagare så att båda kan komma åt data. En tredje part får inte kunna räkna ut nyckeln medan den sänds; annars kommer krypteringen att äventyras. Nyckelutbyte är därför viktigt för att kryptera data.
Quantum key distribution (QKD) är en avancerad teknik som forskare arbetar med för avgörande utbyten. Tekniken säkerställer utbyte av kryptografiska nycklar genom att använda ljus från kvantmekaniska partiklar som kallas fotoner.
När en avsändare skickar information kodad i fotoner, utnyttjas fotonernas kvantmekaniska egenskaper för att skapa en unik nyckel för avsändaren och mottagaren. Andras försök att mäta eller observera fotoner i ett kvanttillstånd kommer omedelbart att ändra deras tillstånd. Därför är det fysiskt endast möjligt att mäta ljus genom att störa signalen.
"Det är omöjligt att göra en kopia av ett kvanttillstånd, som när du gör en kopia av ett A4-ark — om du försöker blir det en sämre kopia. Det är det som säkerställer att det inte går att kopiera nyckeln. Detta kan skydda kritisk infrastruktur som hälsojournaler och finanssektorn från att ha blivit hackad", förklarar Gehring.
CV QKD-tekniken kan integreras i den befintliga internetinfrastrukturen.
"Fördelen med att använda den här tekniken är att vi kan bygga ett system som liknar det som optisk kommunikation redan är beroende av."
Ryggraden i internet är optisk kommunikation. Det fungerar genom att skicka data via infrarött ljus som går genom optiska fibrer. De fungerar som ljusledare i kablar, vilket säkerställer att vi kan skicka data över hela världen. Data kan skickas snabbare och över längre avstånd via fiberoptiska kablar och ljussignaler är mindre känsliga för störningar, vilket kallas brus i tekniska termer.
"Det är en standardteknik som har använts länge. Så du behöver inte uppfinna något nytt för att kunna använda den för att distribuera kvantnycklar, och det kan göra implementeringen betydligt billigare. Och vi kan arbeta på rumstemperatur", förklarar Gehring. "Men CV QKD-tekniken fungerar bäst över kortare avstånd. Vår uppgift är att öka avståndet. Och de 100 kilometerna är ett stort steg i rätt riktning."
Brus, fel och hjälp från maskininlärning
Forskarna lyckades öka avståndet genom att ta itu med tre faktorer som begränsar deras system vid utbyte av de kvantkrypterade nycklarna över längre avstånd:
Maskininlärning gav tidigare mätningar av de störningar som påverkade systemet. Buller, som dessa störningar kallas, kan till exempel uppstå från elektromagnetisk strålning, som kan förvränga eller förstöra de kvanttillstånd som överförs. Den tidigare upptäckten av bruset gjorde det möjligt att minska dess motsvarande effekt mer effektivt.
Dessutom har forskarna blivit bättre på att rätta till fel som kan uppstå längs vägen, som kan orsakas av brus, störningar eller brister i hårdvaran.
"I vårt kommande arbete kommer vi att använda tekniken för att etablera ett säkert kommunikationsnät mellan danska ministerier för att säkra deras kommunikation. Vi kommer också att försöka generera hemliga nycklar mellan till exempel Köpenhamn och Odense för att göra det möjligt för företag med filialer i båda städerna att etablera kvantsäker kommunikation", säger Gehring.
QKD utvecklades som ett koncept 1984 av Bennett och Brassard, medan den kanadensiske fysikern och datorpionjären Artur Ekert och hans kollegor genomförde den första praktiska implementeringen av QKD 1992. Deras bidrag har varit avgörande för att utveckla moderna QKD-protokoll, en uppsättning av regler, procedurer eller konventioner som bestämmer hur en enhet ska utföra en uppgift.
QKD är baserat på en grundläggande osäkerhet vid kopiering av fotoner i ett kvanttillstånd. Fotoner är de kvantmekaniska partiklar som ljus består av.
Fotoner i ett kvanttillstånd har en grundläggande osäkerhet, vilket innebär att det inte är möjligt att med säkerhet veta om fotonen är en eller flera fotoner som samlats i det givna tillståndet, även kallade koherenta fotoner. Detta förhindrar en hackare från att mäta antalet fotoner, vilket gör det omöjligt att göra en exakt kopia av ett tillstånd.
De har också en grundläggande slumpmässighet eftersom fotoner är i flera tillstånd samtidigt, även kallat superposition. Superpositionen av fotoner kollapsar till ett slumpmässigt tillstånd när mätningen sker. Detta gör det omöjligt att exakt mäta vilken fas de befinner sig i när de är i superposition.
Tillsammans blir det nästan omöjligt för en hackare att kopiera en nyckel utan att introducera fel, och systemet kommer att veta om en hackare försöker bryta sig in och kan stänga av omedelbart. Det blir med andra ord omöjligt för en hackare att först stjäla nyckeln och sedan undvika att dörren låser sig när han försöker stoppa in nyckeln i låset.
CV QKD fokuserar på att mäta de jämna egenskaperna hos kvanttillstånd i fotoner. Det kan jämföras med att förmedla information i en ström av alla nyanser av färger istället för att förmedla information steg för steg i varje färg.
Mer information: Adnan A. E. Hajomer et al, Långdistans kontinuerlig-variabel kvantnyckeldistribution över 100 km fiber med lokal lokal oscillator, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi9474
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Danmarks Tekniska Universitet
