211service.com
Forklarer: Hva er kvantekommunikasjon?
Ms. Tech
Dette er den andre i en serie med forklaringer om kvanteteknologi. De to andre er på kvanteberegning og post-kvantekryptografi.
Det går knapt en uke uten rapporter om noen nye mega-hack som har avslørt enorme mengder sensitiv informasjon, fra folks kredittkortdetaljer og helsejournaler til selskapers verdifulle intellektuelle eiendom. Trusselen fra nettangrep tvinger regjeringer, militærer og bedrifter til å utforske sikrere måter å overføre informasjon på.
I dag blir sensitive data typisk kryptert og deretter sendt over fiberoptiske kabler og andre kanaler sammen med de digitale nøklene som trengs for å dekode informasjonen. Dataene og nøklene sendes som klassiske biter - en strøm av elektriske eller optiske pulser som representerer en s og 0 s. Og det gjør dem sårbare. Smarte hackere kan lese og kopiere biter under transport uten å etterlate spor.
Kvantekommunikasjon utnytter kvantefysikkens lover for å beskytte data. Disse lovene tillater partikler – typisk lysfotoner for overføring av data langs optiske kabler – å innta en tilstand av superposisjon, noe som betyr at de kan representere flere kombinasjoner av en og 0 samtidig. Partiklene er kjent som kvantebiter, eller qubits.
Det fine med qubits fra et cybersikkerhetsperspektiv er at hvis en hacker prøver å observere dem i transitt, kollapser deres superskjøre kvantetilstand til enten en eller 0 . Dette betyr at en hacker ikke kan tukle med qubits uten å etterlate seg et tydelig tegn på aktiviteten.
Noen selskaper har utnyttet denne egenskapen til å lage nettverk for overføring av svært sensitive data basert på en prosess kalt kvantenøkkeldistribusjon, eller QKD. I teorien er i det minste disse nettverkene ultrasikre.
Hva er kvantenøkkeldistribusjon?
QKD innebærer å sende krypterte data som klassiske biter over nettverk, mens nøklene for å dekryptere informasjonen er kodet og overført i en kvantetilstand ved hjelp av qubits.
Ulike tilnærminger, eller protokoller, er utviklet for implementering av QKD. En mye brukt kjent som BB84 fungerer slik. Se for deg to personer, Alice og Bob. Alice ønsker å sende data sikkert til Bob. For å gjøre det oppretter hun en krypteringsnøkkel i form av qubits hvis polarisasjonstilstander representerer de individuelle bitverdiene til nøkkelen.
Qubitene kan sendes til Bob gjennom en fiberoptisk kabel. Ved å sammenligne målinger av tilstanden til en brøkdel av disse qubitene – en prosess kjent som nøkkelsikting – kan Alice og Bob fastslå at de har samme nøkkel.
Når qubitene reiser til destinasjonen, vil den skjøre kvantetilstanden til noen av dem kollapse på grunn av dekoherens. For å gjøre rede for dette, kjører Alice og Bob deretter gjennom en prosess kjent som nøkkeldestillasjon, som innebærer å beregne om feilraten er høy nok til å antyde at en hacker har forsøkt å avskjære nøkkelen.
Hvis det er det, dropper de den mistenkte nøkkelen og fortsetter å generere nye til de er sikre på at de deler en sikker nøkkel. Alice kan deretter bruke sin til å kryptere data og sende dem i klassiske biter til Bob, som bruker nøkkelen sin til å dekode informasjonen.
Vi begynner allerede å se flere QKD-nettverk dukke opp. Den lengste er i Kina, som har en bakkeforbindelse på 2032 kilometer (1263 mil) mellom Beijing og Shanghai. Banker og andre finansselskaper bruker det allerede til å overføre data. I USA har en oppstart kalt Quantum Xchange inngått en avtale som gir den tilgang til 500 miles (805 kilometer) med fiberoptisk kabel som går langs østkysten for å lage et QKD-nettverk. Den første etappen vil knytte Manhattan til New Jersey, hvor mange banker har store datasentre.
Selv om QKD er relativt sikker, ville det vært enda tryggere om det kunne stole på kvanterepetere.
Hva er en kvanterepeater?
Materialer i kabler kan absorbere fotoner, noe som betyr at de vanligvis ikke kan reise mer enn noen få titalls kilometer. I et klassisk nettverk brukes repeatere på ulike punkter langs en kabel for å forsterke signalet for å kompensere for dette.
QKD-nettverk har kommet opp med en lignende løsning, og skaper pålitelige noder på forskjellige punkter. Beijing-til-Shanghai-nettverket har 32 av dem, for eksempel. På disse mellomstasjonene blir kvantenøkler dekryptert til biter og deretter kryptert på nytt i en ny kvantetilstand for deres reise til neste node. Men dette betyr at pålitelige noder egentlig ikke kan stoles på: en hacker som brøt nodenes sikkerhet kan kopiere bitene uoppdaget og dermed skaffe seg en nøkkel, det samme kan et selskap eller en regjering som driver nodene.
Ideelt sett trenger vi kvanterepeatere, eller mellomstasjoner med kvanteprosessorer i dem som vil tillate krypteringsnøkler å forbli i kvanteform når de forsterkes og sendes over lange avstander. Forskere har vist at det i prinsippet er mulig å bygge slike repeatere, men de har ennå ikke vært i stand til å produsere en fungerende prototype.
Det er et annet problem med QKD. De underliggende dataene overføres fortsatt som krypterte biter på tvers av konvensjonelle nettverk. Dette betyr at en hacker som brøt et nettverks forsvar kan kopiere bitene uoppdaget, og deretter bruke kraftige datamaskiner for å prøve å knekke nøkkelen som ble brukt til å kryptere dem.
De kraftigste krypteringsalgoritmene er ganske robuste, men risikoen er stor nok til å anspore noen forskere til å jobbe med en alternativ tilnærming kjent som kvanteteleportering.
Hva er kvanteteleportering?
Dette kan høres ut som science fiction, men det er en ekte metode som innebærer å overføre data helt i kvanteform. Tilnærmingen er avhengig av et kvantefenomen kjent som sammenfiltring.
Kvanteteleportering fungerer ved å lage par med sammenfiltrede fotoner og deretter sende ett av hvert par til avsenderen av data og det andre til en mottaker. Når Alice mottar det sammenfiltrede fotonet sitt, lar hun det samhandle med en minne-qubit som inneholder dataene hun ønsker å overføre til Bob. Denne interaksjonen endrer tilstanden til fotonet hennes, og fordi den er sammenfiltret med Bobs, endrer interaksjonen øyeblikkelig tilstanden til fotonet hans også.
Faktisk teleporterer dette dataene i Alices minne-qubit fra fotonet hennes til Bobs. Grafikken nedenfor viser prosessen litt mer detaljert:
Forskere i USA, Kina og Europa kappløper for å lage teleporteringsnettverk som er i stand til å distribuere sammenfiltrede fotoner. Men å få dem til å skalere vil være en enorm vitenskapelig og teknisk utfordring. De mange hindringene inkluderer å finne pålitelige måter å churne ut mange koblede fotoner på etterspørsel, og opprettholde deres sammenfiltring over veldig lange avstander - noe som kvanterepeatere ville gjort enklere.
Likevel har disse utfordringene ikke stoppet forskere fra å drømme om et fremtidig kvanteinternett.
Hva er et kvanteinternett?
Akkurat som det tradisjonelle internett, vil dette være et verdensomspennende nettverk av nettverk. Den store forskjellen er at de underliggende kommunikasjonsnettverkene vil være kvantenettverk.
Det kommer ikke til å erstatte internett slik vi kjenner det i dag. Kattebilder, musikkvideoer og mye ikke-sensitiv forretningsinformasjon vil fortsatt bevege seg rundt i form av klassiske biter. Men et kvanteinternett vil appellere til organisasjoner som trenger å holde spesielt verdifulle data sikre. Det kan også være en ideell måte å koble informasjon som flyter mellom kvantedatamaskiner, som i økende grad blir gjort tilgjengelig gjennom dataskyen.
Kina er i forkant av presset mot et kvanteinternett. Den lanserte en dedikert kvantekommunikasjonssatellitt kalt Micius for noen år siden, og i 2017 bidro satellitten til å arrangere verdens første interkontinentale, QKD-sikrede videokonferanse mellom Beijing og Wien. En bakkestasjon kobler allerede satellitten til Beijing-til-Shanghai bakkenett. Kina planlegger å skyte opp flere kvantesatellitter, og flere byer i landet legger planer for kommunale QKD-nettverk.
Noen forskere har advart om at selv et fullstendig kvanteinternett til slutt kan bli sårbart for nye angrep som i seg selv er kvantebaserte. Men overfor hackingangrepet som plager dagens internett, kommer bedrifter, myndigheter og militæret til å fortsette å utforske de fristende utsiktene til et sikrere kvantealternativ.