Explainer: wat is kwantumcommunicatie?

mevrouw Tech

Dit is de tweede in een reeks uitleg over kwantumtechnologie. De andere twee gaan over kwantumcomputing en post-kwantumcryptografie.

Er gaat amper een week voorbij zonder berichten over een nieuwe megahack die enorme hoeveelheden gevoelige informatie blootlegt, van creditcardgegevens en medische dossiers tot waardevolle intellectuele eigendom van bedrijven. De dreiging die uitgaat van cyberaanvallen dwingt regeringen, legers en bedrijven om veiligere manieren te zoeken om informatie te verzenden.

Tegenwoordig worden gevoelige gegevens doorgaans versleuteld en vervolgens via glasvezelkabels en andere kanalen verzonden, samen met de digitale sleutels die nodig zijn om de informatie te decoderen. De gegevens en de sleutels worden verzonden als klassieke bits - een stroom elektrische of optische pulsen die een s en 0 s. En dat maakt ze kwetsbaar. Slimme hackers kunnen onderweg bits lezen en kopiëren zonder een spoor achter te laten.

Kwantumcommunicatie maakt gebruik van de wetten van de kwantumfysica om gegevens te beschermen. Deze wetten zorgen ervoor dat deeltjes - meestal fotonen van licht voor het verzenden van gegevens langs optische kabels - een staat van superpositie aannemen, wat betekent dat ze meerdere combinaties van een en 0 tegelijkertijd. De deeltjes staan ​​bekend als kwantumbits of qubits.

Het mooie van qubits vanuit een cyberbeveiligingsperspectief is dat als een hacker ze tijdens het transport probeert te observeren, hun superfragiele kwantumtoestand instort tot ofwel een of 0 . Dit betekent dat een hacker niet met de qubits kan knoeien zonder een veelbetekenend teken van de activiteit achter te laten.

Sommige bedrijven hebben van deze eigenschap gebruik gemaakt om netwerken te creëren voor het verzenden van zeer gevoelige gegevens op basis van een proces dat kwantumsleuteldistributie of QKD wordt genoemd. In theorie zijn deze netwerken in ieder geval ultraveilig.

Wat is kwantumsleuteldistributie?

QKD omvat het verzenden van gecodeerde gegevens als klassieke bits via netwerken, terwijl de sleutels om de informatie te decoderen worden gecodeerd en verzonden in een kwantumstatus met behulp van qubits.

Er zijn verschillende benaderingen of protocollen ontwikkeld voor het implementeren van QKD. Een veelgebruikte die bekend staat als BB84 werkt als volgt. Stel je twee mensen voor, Alice en Bob. Alice wil veilig gegevens naar Bob sturen. Om dit te doen, maakt ze een coderingssleutel in de vorm van qubits waarvan de polarisatiestatussen de individuele bitwaarden van de sleutel vertegenwoordigen.

De qubits kunnen via een glasvezelkabel naar Bob gestuurd worden. Door metingen van de toestand van een fractie van deze qubits te vergelijken - een proces dat bekend staat als key sifting - kunnen Alice en Bob vaststellen dat ze dezelfde sleutel bevatten.

Terwijl de qubits naar hun bestemming reizen, zal de fragiele kwantumtoestand van sommige van hen instorten vanwege decoherentie. Om dit te verklaren, doorlopen Alice en Bob vervolgens een proces dat bekend staat als sleuteldestillatie, waarbij wordt berekend of het foutenpercentage hoog genoeg is om te suggereren dat een hacker heeft geprobeerd de sleutel te onderscheppen.

Als dat zo is, gooien ze de verdachte sleutel weg en blijven ze nieuwe genereren totdat ze er zeker van zijn dat ze een veilige sleutel delen. Alice kan dan de hare gebruiken om gegevens te coderen en deze in klassieke bits naar Bob te sturen, die zijn sleutel gebruikt om de informatie te decoderen.

We beginnen al meer QKD-netwerken te zien ontstaan. De langste is in China, met een grondverbinding van 2.032 kilometer (1.263 mijl) tussen Peking en Shanghai. Banken en andere financiële bedrijven gebruiken het al om gegevens te verzenden. In de VS heeft een startup genaamd Quantum Xchange een deal gesloten die het toegang geeft tot 500 mijl (805 kilometer) glasvezelkabel die langs de oostkust loopt om een ​​QKD-netwerk te creëren. De eerste etappe verbindt Manhattan met New Jersey, waar veel banken grote datacenters hebben.

Hoewel QKD relatief veilig is, zou het nog veiliger zijn als het zou kunnen rekenen op kwantumrepeaters.

Wat is een kwantumrepeater?

Materialen in kabels kunnen fotonen absorberen, wat betekent dat ze zich doorgaans niet verder dan enkele tientallen kilometers kunnen verplaatsen. In een klassiek netwerk worden repeaters op verschillende punten langs een kabel gebruikt om het signaal te versterken om dit te compenseren.

QKD-netwerken hebben een vergelijkbare oplossing bedacht, waarbij op verschillende punten vertrouwde knooppunten zijn gemaakt. Het netwerk van Peking-naar-Shanghai heeft er bijvoorbeeld 32. Op deze tussenstations worden kwantumsleutels gedecodeerd in bits en vervolgens opnieuw gecodeerd in een nieuwe kwantumstatus voor hun reis naar het volgende knooppunt. Maar dit betekent dat vertrouwde knooppunten niet echt te vertrouwen zijn: een hacker die de beveiliging van de knooppunten heeft geschonden, kan de bits onopgemerkt kopiëren en zo een sleutel verkrijgen, net als een bedrijf of overheid die de knooppunten beheert.

In het ideale geval hebben we kwantumrepeaters nodig, of tussenstations met kwantumprocessors erin, waarmee coderingssleutels in kwantumvorm kunnen blijven terwijl ze worden versterkt en over lange afstanden worden verzonden. Onderzoekers hebben aangetoond dat het in principe mogelijk is om dergelijke repeaters te bouwen, maar hebben nog geen werkend prototype kunnen maken.

Er is nog een probleem met QKD. De onderliggende gegevens worden nog steeds als versleutelde bits via conventionele netwerken verzonden. Dit betekent dat een hacker die de afweer van een netwerk heeft geschonden, de bits onopgemerkt kan kopiëren en vervolgens krachtige computers kan gebruiken om te proberen de sleutel te kraken die is gebruikt om ze te versleutelen.

De krachtigste coderingsalgoritmen zijn behoorlijk robuust, maar het risico is groot genoeg om sommige onderzoekers aan te sporen om te werken aan een alternatieve benadering die bekend staat als kwantumteleportatie.

Wat is kwantumteleportatie?

Dit klinkt misschien als sciencefiction, maar het is een echte methode waarbij gegevens volledig in kwantumvorm worden verzonden. De aanpak is gebaseerd op een kwantumfenomeen dat bekend staat als verstrengeling.

Kwantumteleportatie werkt door paren van verstrengelde fotonen te maken en vervolgens een van elk paar naar de afzender van gegevens en de andere naar een ontvanger te sturen. Wanneer Alice haar verstrengelde foton ontvangt, laat ze het interageren met een geheugenqubit die de gegevens bevat die ze naar Bob wil verzenden. Deze interactie verandert de toestand van haar foton, en omdat het verstrengeld is met dat van Bob, verandert de interactie onmiddellijk ook de toestand van zijn foton.

In feite teleporteert dit de gegevens in de geheugenqubit van Alice van haar foton naar die van Bob. In de onderstaande afbeelding wordt het proces iets gedetailleerder weergegeven:

Onderzoekers in de VS, China en Europa haasten zich om teleportatienetwerken te creëren die verstrengelde fotonen kunnen verspreiden. Maar om ze op schaal te krijgen, zal een enorme wetenschappelijke en technische uitdaging zijn. De vele hindernissen zijn onder meer het vinden van betrouwbare manieren om op verzoek veel gekoppelde fotonen te produceren en hun verstrengeling over zeer lange afstanden te behouden - iets dat kwantumrepeaters gemakkelijker zouden maken.

Toch hebben deze uitdagingen onderzoekers er niet van weerhouden te dromen van een toekomstig kwantuminternet.

Wat is een kwantuminternet?

Net als het traditionele internet zou dit een wereldomspannend netwerk van netwerken zijn. Het grote verschil is dat de onderliggende communicatienetwerken kwantumnetwerken zouden zijn.

Het gaat het internet zoals we dat nu kennen niet vervangen. Kattenfoto's, muziekvideo's en veel niet-gevoelige bedrijfsinformatie zullen nog steeds rondgaan in de vorm van klassieke stukjes. Maar een kwantuminternet zal organisaties aanspreken die bijzonder waardevolle gegevens moeten beveiligen. Het zou ook een ideale manier kunnen zijn om informatie die tussen kwantumcomputers stroomt, die steeds vaker via de computercloud beschikbaar komt, met elkaar te verbinden.

China loopt voorop in het streven naar een kwantuminternet. Het lanceerde een paar jaar geleden een speciale kwantumcommunicatiesatelliet genaamd Micius, en in 2017 hielp de satelliet bij het organiseren van 's werelds eerste intercontinentale, QKD-beveiligde videoconferentie, tussen Peking en Wenen. Een grondstation verbindt de satelliet al met het terrestrische netwerk van Peking naar Shanghai. China is van plan meer kwantumsatellieten te lanceren, en verschillende steden in het land leggen plannen voor gemeentelijke QKD-netwerken.

Sommige onderzoekers hebben gewaarschuwd dat zelfs een volledig kwantuminternet uiteindelijk kwetsbaar kan worden voor nieuwe aanvallen die zelf op kwantum gebaseerd zijn. Maar geconfronteerd met de hackaanval die het internet van vandaag plaagt, zullen bedrijven, regeringen en het leger het verleidelijke vooruitzicht van een veiliger kwantumalternatief blijven verkennen.

zich verstoppen