Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har visat att avancerad kvantbaserad cybersäkerhet kan realiseras i en utplacerad fiberlänk.
Deras resultat, publicerade i CLEO 2023 , validera ett tidigare proof-of-principle laboratorieexperiment av ORNL-forskare 2015.
Teamet överförde en kvantsignal för kvantnyckeldistribution – en säker metod för att dela en hemlig nyckel – med hjälp av en sann lokal oscillator. En lokal oscillator dämpar effekterna av brus som sprids från annan data som överförs i samma fiberoptiska nätverk, och arbetet visade samexistens mellan kvantdata och konventionella datasignaler.
Signalen färdades över ORNL:s fiberoptiska nätverk kodat i kontinuerliga variabler som beskrev egenskaperna hos ljuspartiklar, eller fotoner, i amplitud och fas. Att använda kontinuerliga variabler av fotoner för kodning möjliggör ett nästan oändligt antal inställningar för att distribuera slumpmässighet som kan användas för cybersäkerhet och möjliggör kompatibilitet med befintliga klassiska kommunikationssystem.
ORNL-teamets experiment bröt inte bara ny mark inom informationssäkerhet utan utnyttjade befintlig fiberoptisk infrastruktur, vilket skulle möjliggöra billigare och enklare användning.
Experimentet löste stora vägspärrar för att implementera kvantnyckeldistribution samtidigt som säkerheten förbättrades, säger Nicholas Peters, chef för ORNL:s Quantum Information Science Section och studiens huvudutredare.
"Kvantnyckeldistribution är ett kryptografiskt protokoll där två parter kan generera en säker nyckel som bara de känner till", sa Peters. "I det här experimentet görs detta genom att använda lasrar för att generera svaga optiska pulser mellan två punkter, vanligtvis kallade Alice och Bob."
När den mottagande parten mäter en puls kan mätningar avslöja om en avlyssnare avlyssnat och korrumperat meddelandet. I tidigare experiment utan en sann lokaloscillator sändes denna optiska puls tillsammans med lokaloscillatorn. Tidigare metoder skapade potentialen för sårbarheter som inte behandlas i nuvarande bästa praxis definierad av det underliggande säkerhetskonceptet. Den nya metoden bygger på optiska signaler som genereras av oberoende lasrar vid sändnings- och mottagningspunkterna.
"I grund och botten tittar vi på interferens", säger Brian Williams, huvudförfattare till studien och en kvantforskare från ORNL. "Det är som att kasta en sten i en sjö och skapa krusningar. Det liknar den våglika naturen hos en foton som vi tittar på. Om två stenar kastas in skapar de konstiga mönster i vattnet. Vi gör en liknande interferens -baserad mätning på den kvantsignalen, men bara den del som matchar lasern detekteras. Detta kräver en mycket snäv energiupplösning."
Överskott av brus urholkar hastigheten på nyckeln som kan distribueras. För mycket brus och en bråkdel av den potentiella nyckeln förbrukas för att skydda konfidentialitet.
"Målet är att få bästa möjliga signal-brusförhållande," sa Williams. "Genom att använda en smal energilaser som din lokala oscillator, fungerar den som ett filter för bakgrundsbruset och förbättrar signal-brusförhållandet."
Framtida ansträngningar kommer att fokusera på att reproducera experimentets resultat under ett bredare utbud av nätverksscenarier.
Mer information: Brian P. Williams et al, Kontinuerlig-variabel kvantnyckelfördelning med sann lokal oscillator, CLEO 2023 (2023). DOI:10.1364/CLEO_FS.2023.FF1A.2
Tillhandahålls av Oak Ridge National Laboratory
