Forklarer: Hvad er kvantekommunikation?

Ms. Tech

Dette er den anden i rækken af ​​forklaringer om kvanteteknologi. De to andre er på kvantecomputere og post-kvantekryptografi.

Der går knap en uge uden rapporter om nogle nye mega-hack, der har afsløret enorme mængder af følsomme oplysninger, fra folks kreditkortoplysninger og sundhedsjournaler til virksomheders værdifulde intellektuelle ejendom. Truslen fra cyberangreb tvinger regeringer, militærer og virksomheder til at udforske mere sikre måder at overføre information på.

I dag bliver følsomme data typisk krypteret og derefter sendt over fiberoptiske kabler og andre kanaler sammen med de digitale nøgler, der skal til for at afkode informationen. Dataene og nøglerne sendes som klassiske bits - en strøm af elektriske eller optiske impulser, der repræsenterer en s og 0 s. Og det gør dem sårbare. Smarte hackere kan læse og kopiere bits under transport uden at efterlade spor.

Kvantekommunikation udnytter kvantefysikkens love til at beskytte data. Disse love tillader partikler - typisk fotoner af lys til at transmittere data langs optiske kabler - at indtage en tilstand af superposition, hvilket betyder, at de kan repræsentere flere kombinationer af en og 0 samtidigt. Partiklerne er kendt som kvantebits eller qubits.

Skønheden ved qubits fra et cybersikkerhedsperspektiv er, at hvis en hacker forsøger at observere dem i transit, kollapser deres superskøre kvantetilstand til enten en eller 0 . Dette betyder, at en hacker ikke kan tukle med qubits uden at efterlade et tydeligt tegn på aktiviteten.

Nogle virksomheder har udnyttet denne egenskab til at skabe netværk til transmission af meget følsomme data baseret på en proces kaldet kvantenøgledistribution eller QKD. I teorien er disse netværk i det mindste ultrasikre.

Hvad er kvantenøglefordeling?

QKD involverer at sende krypterede data som klassiske bits over netværk, mens nøglerne til at dekryptere informationen kodes og transmitteres i en kvantetilstand ved hjælp af qubits.

Forskellige tilgange eller protokoller er blevet udviklet til implementering af QKD. En meget brugt en kendt som BB84 fungerer som denne. Forestil dig to personer, Alice og Bob. Alice vil sende data sikkert til Bob. For at gøre det opretter hun en krypteringsnøgle i form af qubits, hvis polarisationstilstande repræsenterer nøglens individuelle bitværdier.

Qubits kan sendes til Bob gennem et fiberoptisk kabel. Ved at sammenligne målinger af tilstanden af ​​en brøkdel af disse qubits - en proces kendt som nøglesigtning - kan Alice og Bob fastslå, at de har den samme nøgle.

Når qubits rejser til deres destination, vil nogle af dems skrøbelige kvantetilstand kollapse på grund af dekohærens. For at tage højde for dette, kører Alice og Bob derefter gennem en proces kendt som nøgledestillation, som involverer beregning af, om fejlraten er høj nok til at antyde, at en hacker har forsøgt at opsnappe nøglen.

Hvis det er tilfældet, dropper de den mistænkte nøgle og fortsætter med at generere nye, indtil de er sikre på, at de deler en sikker nøgle. Alice kan derefter bruge sin til at kryptere data og sende dem i klassiske stykker til Bob, som bruger sin nøgle til at afkode informationen.

Vi er allerede begyndt at se flere QKD-netværk dukke op. Den længste er i Kina, som kan prale af en 2.032-kilometer (1.263-mile) jordforbindelse mellem Beijing og Shanghai. Banker og andre finansielle virksomheder bruger det allerede til at overføre data. I USA har en startup kaldet Quantum Xchange indgået en aftale, der giver den adgang til 500 miles (805 kilometer) fiberoptisk kabel, der løber langs østkysten for at skabe et QKD-netværk. Det indledende ben vil forbinde Manhattan med New Jersey, hvor mange banker har store datacentre.

Selvom QKD er relativt sikker, ville det være endnu mere sikkert, hvis det kunne regne med kvanterepeatere.

Hvad er en kvanterepeater?

Materialer i kabler kan absorbere fotoner, hvilket betyder, at de typisk ikke kan rejse mere end nogle få titusinder kilometer. I et klassisk netværk bruges repeatere på forskellige punkter langs et kabel til at forstærke signalet for at kompensere for dette.

QKD-netværk er kommet med en lignende løsning, der skaber pålidelige noder på forskellige punkter. Beijing-til-Shanghai-netværket har for eksempel 32 af dem. På disse mellemstationer dekrypteres kvantenøgler til bits og derefter genkrypteres i en frisk kvantetilstand for deres rejse til den næste node. Men det betyder, at man ikke rigtig kan stole på betroede noder: en hacker, der brød nodernes sikkerhed, kunne kopiere bitsene uopdaget og dermed erhverve en nøgle, ligesom en virksomhed eller en regering, der driver noderne.

Ideelt set har vi brug for kvanterepeatere eller mellemstationer med kvanteprocessorer i dem, der ville tillade krypteringsnøgler at forblive i kvanteform, når de forstærkes og sendes over lange afstande. Forskere har vist, at det i princippet er muligt at bygge sådanne repeatere, men de har endnu ikke været i stand til at producere en fungerende prototype.

Der er et andet problem med QKD. De underliggende data transmitteres stadig som krypterede bits på tværs af konventionelle netværk. Dette betyder, at en hacker, der brød et netværks forsvar, kunne kopiere bits uopdaget og derefter bruge kraftfulde computere til at forsøge at knække nøglen, der blev brugt til at kryptere dem.

De mest kraftfulde krypteringsalgoritmer er ret robuste, men risikoen er stor nok til at anspore nogle forskere til at arbejde på en alternativ tilgang kendt som kvanteteleportering.

Hvad er kvanteteleportation?

Dette kan lyde som science fiction, men det er en rigtig metode, der involverer at overføre data helt i kvanteform. Tilgangen bygger på et kvantefænomen kendt som sammenfiltring.

Kvanteteleportering fungerer ved at skabe par af sammenfiltrede fotoner og derefter sende et af hvert par til afsenderen af ​​data og det andet til en modtager. Når Alice modtager sin sammenfiltrede foton, lader hun den interagere med en hukommelses-qubit, der indeholder de data, hun vil sende til Bob. Denne interaktion ændrer tilstanden af ​​hendes foton, og fordi den er viklet ind i Bobs, ændrer interaktionen øjeblikkeligt også hans fotons tilstand.

Faktisk teleporterer dette dataene i Alices hukommelsesqubit fra hendes foton til Bobs. Grafikken nedenfor beskriver processen lidt mere detaljeret:

Forskere i USA, Kina og Europa ræser om at skabe teleportationsnetværk, der er i stand til at distribuere sammenfiltrede fotoner. Men at få dem til at skalere vil være en massiv videnskabelig og teknisk udfordring. De mange forhindringer omfatter at finde pålidelige måder at udskille masser af forbundne fotoner på efter behov og opretholde deres sammenfiltring over meget lange afstande - noget som kvanterepeatere ville gøre lettere.

Alligevel har disse udfordringer ikke stoppet forskere fra at drømme om et fremtidigt kvanteinternet.

Hvad er et kvanteinternet?

Ligesom det traditionelle internet ville dette være et verdensomspændende netværk af netværk. Den store forskel er, at de underliggende kommunikationsnetværk ville være kvantenetværk.

Det kommer ikke til at erstatte internettet, som vi kender det i dag. Kattefotos, musikvideoer og en hel del ikke-følsomme forretningsoplysninger vil stadig bevæge sig rundt i form af klassiske bidder. Men et kvanteinternet vil appellere til organisationer, der skal holde særligt værdifulde data sikre. Det kunne også være en ideel måde at forbinde information, der flyder mellem kvantecomputere, som i stigende grad bliver gjort tilgængelige gennem computerskyen.

Kina er i forkant med fremstødet mod et kvanteinternet. Det lancerede en dedikeret kvantekommunikationssatellit kaldet Micius for et par år siden, og i 2017 var satellitten med til at iscenesætte verdens første interkontinentale, QKD-sikrede videokonference mellem Beijing og Wien. En jordstation forbinder allerede satellitten med Beijing-til-Shanghai jordbaserede netværk. Kina planlægger at opsende flere kvantesatellitter, og flere byer i landet lægger planer for kommunale QKD-netværk.

Nogle forskere har advaret om, at selv et fuldt kvanteinternet i sidste ende kan blive sårbart over for nye angreb, der i sig selv er kvantebaserede. Men stillet over for hacking-angrebet, der plager nutidens internet, vil virksomheder, regeringer og militæret fortsætte med at udforske den fristende udsigt til et mere sikkert kvantealternativ.

skjule