Ученые выполнили передачу с квантовым шифрованием на расстоянии 100 километров

100-километровый оптоволоконный кабель, по которому группа исследователей из DTU успешно распространила ключ с квантовым шифрованием. Автор: ДТУ

Исследователи из DTU успешно распространили квантово-безопасный ключ, используя метод, называемый непрерывным переменным квантовым распределением ключей (CV QKD). Исследователям удалось заставить метод работать на рекордном расстоянии в 100 км — самом большом расстоянии, когда-либо достигнутом с помощью метода CV QKD. Преимущество метода в том, что его можно применить к существующей инфраструктуре Интернета.

Квантовые компьютеры угрожают существующим алгоритмам шифрования, которые в настоящее время защищают передачу данных от подслушивания и наблюдения. Они еще недостаточно продвинуты, чтобы их сломать, но это вопрос времени. Если квантовому компьютеру удастся разработать наиболее безопасные алгоритмы, он оставит дверь открытой для всех данных, передаваемых через Интернет. Это ускорило разработку нового метода шифрования, основанного на принципах квантовой физики.

Но чтобы добиться успеха, исследователям необходимо преодолеть одну из проблем квантовой механики — обеспечить согласованность результатов на больших расстояниях. Непрерывное переменное квантовое распределение ключей до сих пор лучше всего работало на коротких расстояниях.

«Мы добились широкого спектра улучшений, особенно в отношении потери фотонов по пути. В этом эксперименте, опубликованном в журнале Science Advances, мы надежно распространили квантово-зашифрованный ключ на 100 километров по оптоволоконному кабелю. Это рекордное расстояние», — говорит Тобиас Геринг, доцент DTU, который вместе с группой исследователей из DTU стремится иметь возможность распространять квантово-зашифрованную информацию по всему миру через Интернет.

Секретные ключи от квантовых состояний света

Когда данные необходимо отправить из А в Б, они должны быть защищены. Шифрование объединяет данные с безопасным ключом, распределенным между отправителем и получателем, чтобы оба могли получить доступ к данным. Третья сторона не должна иметь возможность узнать ключ во время его передачи; в противном случае шифрование будет нарушено. Поэтому обмен ключами необходим для шифрования данных.

Квантовое распределение ключей (QKD) — это передовая технология, над которой исследователи работают для критически важных обменов. Технология обеспечивает обмен криптографическими ключами с использованием света квантово-механических частиц, называемых фотонами.

Когда отправитель отправляет информацию, закодированную в фотонах, квантово-механические свойства фотонов используются для создания уникального ключа для отправителя и получателя. Попытки других измерить или наблюдать фотоны в квантовом состоянии мгновенно изменят их состояние. Следовательно, физически возможно измерить свет только путем возмущения сигнала.

«Невозможно сделать копию квантового состояния [...] Именно это гарантирует невозможность копирования ключа. Это может защитить критическую инфраструктуру, такую как медицинские записи и финансовый сектор, от взлома», — объясняет Геринг.

Работает через существующую инфраструктуру

Технология CV QKD может быть интегрирована в существующую интернет-инфраструктуру.

«Преимущество использования этой технологии заключается в том, что мы можем построить систему, напоминающую ту, на которой уже основана оптическая связь».

Основой Интернета является оптическая связь. Она работает, отправляя данные через инфракрасный свет, проходящий по оптическим волокнам. Они действуют как световоды, проложенные в кабелях, обеспечивая возможность передачи данных по всему миру. Данные можно передавать быстрее и на большие расстояния по оптоволоконным кабелям, а световые сигналы менее подвержены помехам, которые в техническом плане называются шумом.

«Это стандартная технология, которая используется уже давно. Поэтому вам не нужно изобретать что-то новое, чтобы использовать ее для распространения квантовых ключей, и это может значительно удешевить реализацию. И мы можем работать на комнатной температуре», — объясняет Геринг. «Но технология CV QKD лучше всего работает на более коротких расстояниях. Наша задача — увеличить расстояние. И 100 километров — это большой шаг в правильном направлении».

Шум, ошибки и помощь машинного обучения

Исследователям удалось увеличить расстояние, устранив три фактора, которые ограничивают их систему в обмене квантово-зашифрованными ключами на большие расстояния:

Машинное обучение обеспечило более ранние измерения возмущений, влияющих на систему. Шум, как называют эти возмущения, может возникнуть, например, из-за электромагнитного излучения, которое может исказить или разрушить передаваемые квантовые состояния. Более раннее обнаружение шума позволило более эффективно снизить его соответствующее воздействие.

Кроме того, исследователи стали лучше исправлять ошибки, которые могут возникнуть в процессе работы и могут быть вызваны шумом, помехами или несовершенством аппаратного обеспечения.

«В нашей предстоящей работе мы будем использовать эту технологию для создания защищенной сети связи между датскими министерствами для защиты их связи. Мы также попытаемся сгенерировать секретные ключи, например, между Копенгагеном и Оденсе, чтобы компании, имеющие филиалы в обоих городах, могли установить квантовобезопасную связь», — говорит Геринг.

Мы точно не знаем, что происходит — пока

Концепция QKD была разработана в 1984 году Беннеттом и Брассардом, а канадский физик и пионер компьютеров Артур Экерт и его коллеги осуществили первую практическую реализацию QKD в 1992 году. Их вклад имел решающее значение для разработки современных протоколов QKD — набора правила, процедуры или соглашения, которые определяют, как устройство должно выполнять задачу.

QKD основана на фундаментальной неопределенности при копировании фотонов в квантовом состоянии. Фотоны — это квантово-механические частицы, из которых состоит свет.

Фотоны в квантовом состоянии несут фундаментальную неопределенность, то есть невозможно с уверенностью узнать, является ли фотон одним или несколькими фотонами, собранными в данном состоянии, также называемыми когерентными фотонами. Это не позволяет хакеру измерить количество фотонов, что делает невозможным создание точной копии состояния.

Они также несут в себе фундаментальную случайность, поскольку фотоны одновременно находятся в нескольких состояниях, что также называется суперпозицией. Суперпозиция фотонов переходит в случайное состояние, когда происходит измерение.

В совокупности хакеру становится практически невозможно скопировать ключ без внесения ошибок, и система узнает, пытается ли хакер взломать систему, и может немедленно отключиться. Другими словами, для хакера становится невозможным сначала украсть ключ, а затем избежать запирания двери при попытке вставить ключ в замок.

CV QKD фокусируется на измерении гладких свойств квантовых состояний фотонов. Это можно сравнить с передачей информации в потоке всех нюансов цветов вместо пошаговой передачи информации в каждом цвете.

Источник: Technical University of Denmark