Chiński satelita wykorzystuje kryptografię kwantową do bezpiecznej wideokonferencji między kontynentami

Kryptografia kwantowa pozwala na bezpieczną komunikację dzięki prawom fizyki. A to staje się coraz ważniejsze.

Fizycy od dawna wiedzą, że komputery kwantowe będą w stanie złamać prawie wszystkie inne rodzaje kryptografii. Ponieważ te urządzenia stają się coraz bardziej wydajne, pisanie jest trudne do zrealizowania w przypadku konwencjonalnego szyfrowania. Tak więc komercyjne firmy, rządy i wojsko czekają z zapartym tchem na opracowanie praktycznych systemów kryptografii kwantowej.

Ale jest problem. Kryptografia kwantowa polega na przenoszeniu informacji kwantowych przez pojedyncze fotony. Ale nawet najlepsze światłowody mogą przenosić te fotony tylko do tej pory – około 200 kilometrów – zanim absorpcja światła uniemożliwi ten proces. Tak więc kryptografia kwantowa nigdy nie działała na znacznie większych odległościach.

Dziś to się zmienia, dzięki niezwykłemu chińskiemu satelitowi wystrzelonemu w 2016 roku. Satelita Micius osiągnął wiele kamieni milowych w ciągu mniej więcej roku, odkąd zaczął działać. Zeszłego lata teleportował pierwszy obiekt z Ziemi na orbitę — pojedynczy foton.

Teraz satelita uruchomił pierwszą międzykontynentalną usługę kryptografii kwantowej. Naukowcy przetestowali system, organizując bezpieczną wideokonferencję między Europą a Chinami. Po raz pierwszy bezpieczeństwo tej wideokonferencji zagwarantowały prawa fizyki.

Metoda jest prosta. Kryptografia kwantowa opiera się na tak zwanej jednorazowej podkładce, aby zagwarantować prywatność. Jest to zestaw liczb losowych — klucz — którego dwie strony mogą używać do kodowania i dekodowania wiadomości.

Tradycyjnie problem z jednorazowymi nakładkami polega na upewnieniu się, że posiadają je tylko nadajnik i odbiornik. Jak obie strony mogą mieć pewność, że żaden podsłuchujący nie skopiował klucza podczas jego rozpowszechniania?

Problem ten można zgrabnie rozwiązać, wysyłając klucz za pomocą cząstek kwantowych, takich jak fotony, ponieważ zawsze można stwierdzić, czy cząstka kwantowa była wcześniej obserwowana. Jeśli tak, klucz jest porzucany, a kolejny wysyłany, dopóki obie strony nie upewnią się, że są w posiadaniu niezaobserwowanego jednorazowego bloku.

To jest dystrybucja klucza kwantowego — kluczowy proces w sercu kryptografii kwantowej. Gdy obie strony będą miały klucz — jednorazową klawiaturę — ​​mogą komunikować się zwykłymi, klasycznymi kanałami z doskonałym bezpieczeństwem.

Satelita Micius po prostu rozprowadza ten klucz z orbity. Ponieważ znajduje się na orbicie synchronicznej ze słońcem nad biegunami, satelita przechodzi przez każdą część powierzchni Ziemi w przybliżeniu o tej samej godzinie każdego dnia.

Kiedy więc satelita znajduje się nad chińską stacją naziemną w Xinglong w północnej prowincji Hebei w Chinach, wysyła na ziemię jednorazową podkładkę zakodowaną w pojedynczych fotonach przy użyciu dobrze znanego protokołu. Gdy Ziemia obraca się pod satelitą i gdy w polu widzenia pojawia się stacja naziemna w Graz w Austrii, Micius wysyła ten sam jednorazowy pad do znajdującego się tam odbiornika.

Obie lokalizacje mają wtedy ten sam klucz, który pozwala im na zainicjowanie całkowicie bezpiecznej komunikacji za pośrednictwem klasycznego łącza.

Eksperyment idzie jednak o krok dalej. Celem było zorganizowanie wideokonferencji między Chińską Akademią Nauk w Pekinie a Austriacką Akademią Nauk w Wiedniu, więc klucz musi być bezpiecznie dystrybuowany do obu tych lokalizacji. W tym celu zespoły wykorzystują naziemną komunikację kwantową za pośrednictwem światłowodów.

Na koniec utworzyli łącze wideo zabezpieczone przez Advanced Encryption Standard (AES), które jest odświeżane co sekundę za pomocą 128-bitowych kodów źródłowych. We wrześniu zorganizowali pionierską wideokonferencję, która trwała 75 minut z łączną transmisją danych około dwóch gigabajtów.

Jak twierdzą zespoły kierowane przez Antona Zeilingera z Uniwersytetu Wiedeńskiego i Jian-Wei Pan z Uniwersytetu Nauki i Technologii w Chinach, wykazaliśmy międzykontynentalną komunikację kwantową między wieloma lokalizacjami na Ziemi z maksymalną odległością 7600 kilometrów. Hefei, Chiny.

Istnieją pewne potencjalne słabości systemu, nad którymi można pracować w przyszłości. Być może najważniejsze jest to, że satelita jest uważany za bezpieczny w czasie potrzebnym do połączenia dwóch stacji naziemnych. To może być prawda — kto mógłby zhakować orbitującego satelitę? — ale tego bezpieczeństwa nie gwarantują prawa fizyki. Jednak zespoły twierdzą, że można to rozwiązać w przyszłych projektach za pomocą kompleksowego przekaźnika kwantowego.

Niezależnie od niedociągnięć, jest to imponująca praca. Jest to dowód zastosowania zasady bezpiecznej komunikacji na skalę globalną. Nasza praca wskazuje na wydajne rozwiązanie dla globalnej sieci kwantowej na bardzo duże odległości, kładące podwaliny pod przyszły Internet kwantowy, mówią Zeilinger, Jian-Wei i ich koledzy.

Wiele rządów, operatorów wojskowych i firm komercyjnych pragnie podobnych możliwości. Więc z pewnością nie minie dużo czasu, zanim komercyjne wersje satelity Micius zaczną sprzedawać tego rodzaju bezpieczną komunikację na całym świecie. Z Chinami na czele.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1801.04418 : Międzykontynentalna sieć kwantowa z przekaźnikiem satelitarnym

ukryć