Et kvantespring i kryptografi

Indtil for nylig har kvantekryptering været gemt væk i specialiserede laboratorier.

Men dets fortalere siger, at teknologien - hvor enkelte lyspartikler eller fotoner bruges til at kode data - nu er klar til at tage springet til den virkelige verden. I de seneste måneder har de to store leverandører af kvantekrypteringsprodukter, id Quantique og MagiQ Technologies, introduceret andengenerationsprodukter, som de siger er mere ligetil at betjene – det vil sige rettet mod netværksadministratorer frem for videnskabsmænd.

I mellemtiden bliver ikke kun denne banebrydende teknologi lettere at bruge, men også den seneste udvikling kan låse op for en større række af applikationer for den, såsom at anvende den over større afstande, i trådløse indstillinger og for at sikre satellitkommunikation. De japanske elektronikgiganter NEC Corp. og Toshiba Research Europe Ltd. og den førende amerikanske teknologiudvikler BBN Technologies har alle annonceret succes med at udvide rækkevidden og længden af ​​kvantenøglegenerering, kodning af video- såvel som lydfiler og overførsel af nøgler eller kommunikation via luft såvel som optisk fiber.

Forskere er bestemt nået langt i de to årtier, siden ideen om kvantekryptografi blev introduceret. Alligevel har teknologien stort set holdt sig i R&D-fasen, da forskere har kæmpet med flere tekniske udfordringer. Mest bemærkelsesværdigt har afstanden, som de kunne formidle nøgler over, og evnen til at generere individuelle fotoner været begrænset.

I kvantekryptografi repræsenterer enkelte lyspartikler etaler og nuller i en binær krypteringsnøgle. For at kode den faktiske information polariseres fotonerne af afsenderens system, det vil sige, at lysbølgerne er organiseret i et enkelt plan. I den anden ende måler en modtager så polariseringen for at hente informationen.

Da selve kvantenøglerne kan være lige så store som de data, der bliver krypteret, kan brugere få uigennemtrængelige cifre, ifølge Josh Kessler, analytiker og produktchef for Boston-baserede TowerGroup. Sådanne cifre er ekstremt sikre, fordi nøglen aldrig gentages og er lige så lang som selve meddelelsen, i modsætning til offentlig nøglekryptering, hvor nøglen er kortere.

Kvantekryptografiens kraft vokser faktisk ud af et af kvantemekanikkens nøgleprincipper: På atomniveau ændres ethvert objekt, der observeres, også. Som et resultat ville nogen, der forsøger at stjæle kvantekrypterede data ved at måle fotonerne, mens de rejser, ændre nøglen - en handling, som legitime brugere kunne opdage.

I næsten to årtier har sikkerhedsprotokollerne udviklet af Rivest, Shamir og Adleman (RSA) til offentlig nøglekryptering holdt fast. Nylige sikkerhedsbrud hos Bank of America Corp., Wachovia Corp. og LexisNexis – som kompromitterede hundredtusindvis af forbrugeres økonomiske og personlige oplysninger – har dog afsløret det voksende problem med datatyveri. Selvom disse skandaler ikke nødvendigvis var skyld i svag kryptering eller nøgledistribution, har de lagt større vægt på behovet for bedre sikkerhed omkring virksomheders mest følsomme data.

Ikke overraskende er målsektorerne for kvantesikkerhed på nuværende tidspunkt finansielle servicevirksomheder, telekommunikationsselskaber og statslige agenturer – organisationer, der beskæftiger sig med meget følsom information og også har de dybe lommer til at betale for bedre beskyttelse.

På Infosecurity Europe 2005-messen i London i april fik potentielle kunder at se det avancerede inden for kvantekryptografi. Genève, Schweiz-baserede id Quantique fremviste sit nye nøglefærdige krypteringssystem, som giver en sikker forbindelse mellem to Fast Ethernet fiberoptiske netværk, der kan placeres op til 100 kilometer fra hinanden. Dets system, Vectis Link Encryptor, kombinerer kvantenøgledistribution med avancerede krypteringsstandarder - kvantenøglerne distribueres sikkert og kontinuerligt over et dedikeret optisk fiberlink, og disse nøgler sendes igen i apparatet til en avanceret krypteringsmotor, der er bruges til at kryptere og dekryptere oplysningerne.

Vectis har et berøringspanel, hvorigennem brugere kan overvåge systemet, og en webserverapplikation, der viser systemets logoplysninger ved hjælp af Simple Network Management Protocol (SNMP v.3), som lader netværksadministratorer centralt overvåge og administrere alle kvantekrypteringshardwareapparater i hele deres netværk.

Vi automatiserede det hele, så en netværksingeniør kunne gøre dette, siger Gregoire Ribordy, administrerende direktør for id Quantique, ikke bare en fysiker.

I marts omarbejdede rivalen MagiQ Technologies fra New York City sit Quantum Private Network efter at have modtaget feedback fra regerings- og virksomhedskunder, som havde testet det. Den seneste version indeholder nu højtydende sikkerhedsprocessorer og kan køre på enten Windows- eller Linux-operativsystemer.

MagiQ Technologies' administrerende direktør Bob Gelfond indrømmer, at der virkelig ikke er meget ændret på kvantesiden, men netværket og den grundlæggende distribution og andre elementer er blevet justeret for at gøre det til et mere brugbart produkt, der kan integreres i en virksomheds eksisterende system.

Med en mere forretningsvenlig grænseflade er MagiQ i gang med at indgå aftaler med originaludstyrsproducenter (OEM), som ville resultere i, at deres kvantekryptografiprodukter blev integreret i hardware fra større producenter allerede i 2006.

Mens små leverandører som MagiQ og id Quantique allerede har sat et krav på dette felt, vil de ikke være alene længe. I maj viste Toshibas Cambridge Research Laboratory i Det Forenede Kongerige sit seneste fremskridt: et kvantekryptografisystem, der kan bruges til at kode video og stemme i realtid med op til 100 billeder eller nøgler i sekundet. Dets udviklere mener, at teknologien vil gøre det praktisk for virksomheder og regeringer at sikre videoforbindelser over en fiberoptisk forbindelse.

Dr. Andrew Shields, gruppeleder inden for forskning og udvikling af kvantekryptografi hos Toshiba Cambridge og leder af projektet, mener, at systemet burde være på markedet om et par år. Mens den krypterede video bliver lidt nervøs på grund af kameraets begrænsede billedhastigheder, siger Shields, ser det ret godt ud. Vi har fået en rigtig god reaktion. Folk var ret overraskede, men glade for, at disse applikationer nu er rigtige.

I maj meddelte forskere ved NEC Corp., at de med hjælp fra National Institute of Information and Communications Technology og Japan Science and Technology Agency har været i stand til at generere kvantenøgler hurtigere og i længere tid end tidligere muligt. . Den Tokyo-baserede it- og netværksgigant var i stand til kontinuerligt at generere nøgler med gennemsnitligt 13 kilobits pr. sekund (kbps) over et 16-kilometer kommercielt optisk netværk i to uger – den slags ydeevne, der i sidste ende kunne skabe generering og distribution af kvante nøgler endnu nemmere og mere sømløse for virksomheder.

Kessler fra TowerGroup siger, at NEC for nylig har opnået adskillige patenter relateret til kvantesystemer, og han forventer, at virksomheden vil frigive et kommercielt produkt inden for året.

Kazuo Nakamura, senior manager for NECs fundamentale og miljømæssige forskningslaboratorier, mener, at hans virksomheds næsten otte års dedikerede forskning i kvantekryptografi vil hjælpe dem med at springe over konkurrenter, der allerede sælger produkter.

Vi mener, at vores vedvarende R&D-indsats har givet NEC en klar teknologisk fordel i forhold til [MagiQ og id Quantique], siger Nakamura. Før markedet accepterer kvantekryptografi, skal produkterne opnå lavere systemomkostninger, højere stabilitet og stadig hurtigere drift over længere afstande.

Den måske mest lovende udvikling af kvantekryptografi er dog BBNs seneste meddelelse i begyndelsen af ​​juni om, at den sammen med den britiske partner QinetiQ Ltd. har skabt en fungerende trådløs version af kvantekryptografi-netværket.

Chip Elliott, ledende ingeniør hos Cambridge, MA-baserede BBN, siger, at de har skabt et såkaldt free-space kvantekryptografi-netværk, der kan sende kvantenøgler eller krypteret kommunikation, omkring 15 miles ved hjælp af teleskoper, der er stillet op på hvert punkt, uden optisk fiber.

Ved at anvende den samme teknologi kunne virksomheder sende kvantekrypteret kommunikation frem og tilbage ved hjælp af en satellit. Elliott siger, at mens frirums kvantekryptografi ikke er så langt i udviklingen som den kablede variant, vil systemerne være nemmere og billigere at implementere, da de nødvendige komponenter er billigere. Han siger, at der endda kan være krypteringsprodukter til ledige pladser tilgængelige for virksomheder og regeringer ved årets udgang.

Ray Trygstad, assisterende direktør for informationsteknologi for Rice campus ved Illinois Institute of Technology i Wheaton, IL, er mere begejstret for potentialet for frirums kvantekryptografi end systemer, der bruger optisk fiber. I sidste ende ser han ledig plads som en foretrukken måde at sikre betalings-tv eller klassificerede telefonopkald på, eller på kortere sigt for virksomheder at give virkelig sikker trådløs adgang til ansatte på deres virksomhedscampusser.

Da trådløs sikkerhed traditionelt er meget svag, siger Trygstad, kunne kobling af frirums kvantekryptografi med WiMax give en større fordel.

Det ser ud til, at kvantekryptografi har flyttet sig fra videnskabsmænds tavler til bestyrelseslokaler hurtigere, end selv mange skarpe iagttagere troede muligt.

Alligevel er der stadig udfordringer. Trygstad mener, at det i løbet af de næste par år kun er nogle få avancerede finansielle virksomheder og offentlige myndigheder, der kan bruge kvantekryptering til at sikre deres mest følsomme informationer, da omkostningerne stadig er relativt høje – omkring $100.000 for to tilslutningspunkter. Mange virksomheder kan vælge at bruge disse sikkerhedsbudgetdollar på andre områder, der er mere udsatte.

Men, argumenterer Kessler i sin forskning, at især finansielle servicevirksomheder bør overveje brugen af ​​kvantekryptografi, da der i øjeblikket sker gennembrud i den matematiske verden, som væsentligt kan svække beregningsbaserede krypteringssystemer, såsom RSA. Et stort eksempel: matematikere kan være på nippet til at bevise Riemann-hypotesen, som skitserer, hvor mange primtal der findes under en bestemt værdi. Hvis det bevises, begrunder Kessler, kan en person finde ud af faktoren bag et RSA-krypteringsskema i færre beregninger.

Afstand er også fortsat problematisk for kvantekryptografi. Da dens nøgler ikke kan måles eller manipuleres undervejs, virker traditionelle former for repeatere ikke - så de fleste kvantesystemer kan kun videresende data mellem to krypteringsapparater mellem 100 og 150 kilometer.

Disse afstandsbegrænsninger forbedres løbende med bedre fotongenerering og fiberoptik samt bedre overordnet transmissionsteknologi, siger Kessler, men afstanden er fortsat det mest begrænsende element i kvantenøglefordelingen.

Nogle brugere kan overvinde problemet ved at forbinde systemer, så i det væsentlige dekrypteres og genkrypteres oplysningerne på hvert punkt undervejs. Gelfond fastholder også, at for mange af hans kunder er afstandsbegrænsningen ikke et problem, fordi de overfører og sikrer information inden for metrokernen - mellem et hovedkontor og et backup-sted, der kan være blot et par blokke, eller etager, væk.

Shields og Ribordy siger, at kvanterepeatere er ved at blive udviklet, og Shields mener, at de kan være en realitet inden for fem år. Mens de fleste virksomheder venter på, at omkostningerne falder, og at de teknologiske udfordringer bliver løst, ser early movere som MagiQ, id Quantique og NEC stadig muligheden på det kommercielle marked.

Nogle organisationer forstår, at kommunikation af de mest følsomme data garanterer den højest mulige sikkerhed, siger NECs Nakamura, og vil afsætte passende budgetter for at sikre dette. Vi ser denne type avancerede brugere som værende det primære indledende marked for kvantekryptografi.

Karen Epper Hoffman skriver om forretnings- og teknologiproblemer fra sit hjem i Poulsbo, WA.

skjule