Chinese satelliet gebruikt kwantumcryptografie voor veilige videoconferenties tussen continenten

Kwantumcryptografie maakt communicatie mogelijk die gegarandeerd veilig is, dankzij de wetten van de fysica. En het wordt steeds belangrijker.

Natuurkundigen weten al lang dat kwantumcomputers in staat zullen zijn om bijna alle andere soorten cryptografie te doorbreken. Aangezien deze apparaten steeds capabeler worden, staat het schrijven aan de muur voor conventionele codering. Dus commerciële bedrijven, overheden en het leger wachten allemaal met ingehouden adem op de ontwikkeling van praktische kwantumcryptografiesystemen.

Maar er is een probleem. De kwantumcryptografie is afhankelijk van individuele fotonen om kwantuminformatie te dragen. Maar zelfs de beste optische vezels kunnen deze fotonen slechts zo ver dragen - ongeveer 200 kilometer - voordat lichtabsorptie het proces onmogelijk maakt. Dus kwantumcryptografie heeft nooit over veel grotere afstanden gewerkt.

Vandaag verandert dat, dankzij een buitengewone Chinese satelliet die in 2016 werd gelanceerd. De Micius-satelliet heeft een aantal mijlpalen bereikt in het jaar of zo sinds het begon te werken. Afgelopen zomer heeft het het eerste object van de aarde naar een baan om de aarde geteleporteerd: een enkel foton.

Nu heeft de satelliet de eerste intercontinentale kwantumcryptografiedienst opgezet. Onderzoekers hebben het systeem getest door een beveiligde videoconferentie op te zetten tussen Europa en China. Voor het eerst werd de veiligheid van deze videoconferentie gegarandeerd door de wetten van de natuurkunde.

De methode is eenvoudig. Kwantumcryptografie is gebaseerd op een zogenaamd one-time pad om privacy te garanderen. Dit is een reeks willekeurige getallen - een sleutel - die door twee partijen kan worden gebruikt om een ​​bericht te coderen en te decoderen.

Traditioneel is het probleem met eenmalige pads om ervoor te zorgen dat alleen de zender en de ontvanger ze hebben. Hoe kunnen beide partijen er zeker van zijn dat geen enkele afluisteraar de sleutel heeft gekopieerd terwijl deze wordt verspreid?

Dit probleem is netjes opgelost door de sleutel te verzenden met behulp van kwantumdeeltjes zoals fotonen, omdat het altijd mogelijk is om te zien of een kwantumdeeltje eerder is waargenomen. Als dat het geval is, wordt de sleutel achtergelaten en wordt een andere verzonden totdat beide partijen zeker weten dat ze in het bezit zijn van een niet-geobserveerd one-time pad.

Dat is de distributie van kwantumsleutels - het cruciale proces in het hart van kwantumcryptografie. Nadat beide partijen de sleutel hebben - het eenmalige pad - kunnen ze communiceren via gewone klassieke kanalen met perfecte beveiliging.

De Micius-satelliet verspreidt deze sleutel eenvoudig vanuit een baan om de aarde. Omdat hij zich in een zonsynchrone baan boven de polen bevindt, gaat de satelliet elke dag op ongeveer dezelfde lokale tijd over elk deel van het aardoppervlak.

Dus wanneer de satelliet zich boven het Chinese grondstation in Xinglong in de noordelijke provincie Hebei in China bevindt, stuurt hij het eenmalige pad naar de grond, gecodeerd in enkele fotonen met behulp van een gevestigd protocol. Terwijl de aarde onder de satelliet draait en het grondstation in Graz in Oostenrijk in zicht komt, stuurt Micius hetzelfde one-time pad naar de ontvanger daar.

De twee locaties beschikken dan beide over dezelfde sleutel waarmee ze volledig beveiligde communicatie kunnen starten via een klassieke link.

Het experiment gaat echter nog een stap verder. Het doel was om een ​​videoconferentie op te zetten tussen de Chinese Academie van Wetenschappen in Peking en de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen in Wenen, zodat de sleutel veilig naar beide locaties moet worden verspreid. En daarvoor gebruiken de teams op de grond gebaseerde kwantumcommunicatie via optische vezels.

Ten slotte zetten ze een videolink op, beveiligd door de Advanced Encryption Standard (AES) die elke seconde wordt ververst met 128-bit seed-codes. In september hielden ze een baanbrekende videoconferentie die 75 minuten duurde met een totale datatransmissie van ongeveer twee gigabyte.

We hebben intercontinentale kwantumcommunicatie aangetoond tussen meerdere locaties op aarde met een maximale afstand van 7.600 kilometer, zeggen de teams, die worden geleid door Anton Zeilinger aan de Universiteit van Wenen en door Jian-Wei Pan aan de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China in Hefei, China.

Er zijn enkele potentiële zwakke punten in het systeem om aan te werken voor de toekomst. Misschien wel het belangrijkste is dat de satelliet als veilig wordt beschouwd gedurende de tijd die nodig is om de twee grondstations met elkaar te verbinden. Dat is misschien waar - wie zou een in een baan om de aarde draaiende satelliet kunnen hacken? - maar deze veiligheid wordt niet gegarandeerd door de wetten van de fysica. De teams zeggen echter dat dit in toekomstige ontwerpen kan worden aangepakt met een end-to-end kwantumrelais.

Wat de tekortkomingen ook zijn, dit is indrukwekkend werk. Het is een proof-of-principle demonstratie van veilige communicatie op wereldschaal. Volgens Zeilinger, Jian-Wei en hun collega's wijst ons werk op een efficiënte oplossing voor een ultralange afstand wereldwijd kwantumnetwerk, waarmee de basis wordt gelegd voor een toekomstig kwantuminternet.

Tal van regeringen, militaire operators en commerciële bedrijven willen graag een vergelijkbare capaciteit. Het zal dus zeker niet lang meer duren voordat commerciële versies van de Micius-satelliet dit soort beveiligde communicatie over de hele wereld verkopen. Met China voorop.

Referentie: arxiv.org/abs/1801.04418 : Satelliet-gerelateerd intercontinentaal kwantumnetwerk

zich verstoppen