כבל הסיבים האופטיים באורך 100 ק"מ שדרכו צוות חוקרים ב-DTU הפיץ בהצלחה מפתח מוצפן קוונטי בצורה מאובטחת. קרדיט: DTU
חוקרים מהאוניברסיטה הטכנית של דנמרק (DTU) השתמשו בהצלחה בהצפנה קוונטית להעברת מידע מאובטח למרחק של 100 קילומטרים דרך כבל סיבים אופטיים, בערך באותו המרחק בין אוקספורד ללונדון.
מדענים מהאוניברסיטה הטכנית של דנמרק (DTU) השיגו פריצת דרך בתקשורת מאובטחת על ידי הפצת מפתח בטוח קוונטי באמצעות הפצת מפתח קוונטי משתנה מתמשך (CV QKD). צוות זה קבע שיא חדש בכך שהפך את הטכניקה ליעילה לאורך מרחק חסר תקדים של 100 קילומטרים, הרחוק ביותר שהושג אי פעם עם CV QKD. היתרון של השיטה הוא שניתן ליישם אותה על תשתית האינטרנט הקיימת.
מחשבי קוונטים מאיימים על הצפנות קיימות מבוססות אלגוריתמים, המבטיחות כיום העברות נתונים מפני האזנות ומעקבים. הם עדיין לא חזקים מספיק כדי לשבור אותם, אבל זה עניין של זמן. אם מחשב קוונטי מצליח להבין את האלגוריתמים המאובטחים ביותר, הוא משאיר דלת פתוחה לכל הנתונים המחוברים דרך האינטרנט. זה האיץ את הפיתוח של שיטת הצפנה חדשה המבוססת על עקרונות הפיזיקה הקוונטית.
אבל כדי להצליח, החוקרים חייבים להתגבר על אחד האתגרים של מכניקת הקוונטים – הבטחת עקביות למרחקים ארוכים יותר. הפצת מפתח קוונטי משתנה מתמשך עבדה עד כה בצורה הטובה ביותר למרחקים קצרים.
"השגנו מגוון רחב של שיפורים, במיוחד לגבי אובדן פוטונים בדרך. בניסוי זה, שפורסם ב התקדמות המדע, הפצנו בצורה מאובטחת מפתח מוצפן קוונטי 100 קילומטרים באמצעות כבל סיבים אופטיים. זהו מרחק שיא בשיטה הזו", אומר טוביאס גרינג, פרופסור חבר ב-DTU, שיחד עם קבוצת חוקרים ב-DTU שואף להיות מסוגל להפיץ מידע מוצפן קוונטי ברחבי העולם באמצעות האינטרנט.
מפתחות סודיים ממצבי אור קוונטיים
"כשצריך לשלוח נתונים מ-A ל-B, יש להגן עליהם. ההצפנה משלבת נתונים עם מפתח מאובטח המופץ בין השולח והמקבל כך ששניהם יכולים לגשת לנתונים. אסור שצד שלישי יוכל להבין את המפתח בזמן שידורו; אחרת, ההצפנה תיפגע. חילופי מפתחות חיוניים אפוא בהצפנת נתונים.
חלוקת מפתחות קוונטית (QKD) היא טכנולוגיה מתקדמת שחוקרים עובדים עליה לצורך חילופי חילופים מכריעים. הטכנולוגיה מבטיחה החלפת מפתחות הצפנה באמצעות אור מחלקיקים מכאניים קוונטיים הנקראים פוטונים.
קבוצת המחקר: (בחזית) עדנאן AE Hajomer, Nitin Jain, Ulrik L. Andersen (מאחור) Ivan Derkach, Hou-Man Chin, Tobias Gehring. קרדיט: DTU
כאשר שולח שולח מידע מקודד בפוטונים, התכונות המכאניות הקוונטיות של הפוטונים מנוצלות ליצירת מפתח ייחודי עבור השולח והמקבל. ניסיונות של אחרים למדוד או לצפות בפוטונים במצב קוונטי ישנו באופן מיידי את מצבם. לכן, פיזית אפשרית רק למדוד אור על ידי הפרעה לאות.
"אי אפשר לעשות עותק של מצב קוונטי, כמו כשיוצרים עותק של גיליון A4 – אם תנסה, זה יהיה עותק נחות. זה מה שמבטיח שאי אפשר להעתיק את המפתח. זה יכול להגן על תשתית קריטית כמו רישומי בריאות והמגזר הפיננסי מפני פריצה", מסביר טוביאס גרינג.
עובד באמצעות תשתית קיימת
ניתן לשלב את טכנולוגיית ההפצה הקוונטית המשתנית (CV QKD) בתשתית האינטרנט הקיימת.
"היתרון בשימוש בטכנולוגיה הזו הוא שאנחנו יכולים לבנות מערכת שדומה למה שהתקשורת האופטית כבר מסתמכת עליה".
עמוד השדרה של האינטרנט הוא תקשורת אופטית. זה עובד על ידי שליחת נתונים באמצעות אור אינפרא אדום העובר דרך סיבים אופטיים. הם מתפקדים כמובילי אור המונחים בכבלים, ומבטיחים שנוכל לשלוח נתונים לכל העולם. נתונים יכולים להישלח מהר יותר ולמרחקים ארוכים יותר באמצעות כבלי סיבים אופטיים, ואותות אור פחות רגישים להפרעות, מה שנקרא רעש במונחים טכניים.
"זו טכנולוגיה סטנדרטית שנמצאת בשימוש כבר זמן רב. אז, אתה לא צריך להמציא שום דבר חדש כדי להיות מסוגל להשתמש בו כדי להפיץ מפתחות קוונטיים, וזה יכול להפוך את היישום לזול משמעותית. ואנחנו יכולים לפעול בטמפרטורת החדר", מסביר טוביאס גרינג ומוסיף:
"אבל טכנולוגיית CV QKD עובדת הכי טוב על מרחקים קצרים יותר. המשימה שלנו היא להגדיל את המרחק. ו-100 הקילומטרים הם צעד גדול בכיוון הנכון".
רעש, שגיאות וסיוע מלמידת מכונה
החוקרים הצליחו להגדיל את המרחק על ידי התייחסות לשלושה גורמים המגבילים את המערכת שלהם בהחלפת המפתחות המוצפנים קוונטיים למרחקים ארוכים יותר:
למידת מכונה סיפקה מדידות מוקדמות יותר של ההפרעות המשפיעות על המערכת. רעש, כפי שמכונה ההפרעות הללו, יכול לנבוע, למשל, מקרינה אלקטרומגנטית, שעלולה לעוות או להרוס את המצבים הקוונטיים המועברים. זיהוי מוקדם יותר של הרעש איפשר להפחית את האפקט המקביל שלו בצורה יעילה יותר.
יתר על כן, החוקרים השתפרו בתיקון שגיאות שעלולות להתרחש לאורך הדרך, שיכולות להיגרם מרעש, הפרעות או ליקויים בחומרה.
"בעבודתנו הקרובה, נשתמש בטכנולוגיה כדי להקים רשת תקשורת מאובטחת בין משרדי דנמרק לאבטחת התקשורת שלהם. ננסה גם ליצור מפתחות סודיים בין, למשל, קופנהגן ואודנסה כדי לאפשר לחברות עם סניפים בשתי הערים ליצור תקשורת בטוחה בקוונטים", אומר טוביאס גרינג.
קרן החדשנות דנמרק, קרן המחקר הלאומית של דנמרק, תוכנית המחקר והחדשנות Horizon Europe של האיחוד האירופי, קרן קרלסברג וקרן המדע הצ'כית תומכות בפרויקט.
