Kvantekryptering

100 kilometers kvantekrypteret overførsel

Forskere på DTU har taget et stort skridt i retning mod at sikre information imod at blive hacket. Det er lykkedes dem at bruge kvantekryptering til sikkert at overføre information 100 kilometer via fiberkabel.

Seks mænd i deres laboratorium på DTU. Forrest står Adnan A.E. Hajomer, Nitin Jain, Ulrik L. Andersen. Bagest står Ivan Derkach, Hou-Man Chin, Tobias Gehring. — Bag rekorden står DTU-forskerne Adnan A.E. Hajomer (forrest t.v.), Nitin Jain, Ulrik L. Andersen og Ivan Derkach (bagerst t.v.), Hou-Man Chin, Tobias Gehring. Foto: DTU

onsdag 03 april 2024

Ulla Johanne Johansson

Det er lykkedes forskere på DTU at overføre en kvantekrypteret nøgle ved hjælp af en metode kaldet Continuous Variable Quantum Key Distribution (CV QKD). Forskerne har formået at få metoden til at fungere over en rekordafstand på 100 kilometer - den længste afstand nogensinde opnået ved hjælp af CV QKD-metoden. Fordelen ved metoden er, at den kan anvendes i internettets eksisterende infrastruktur.

Kvantecomputeren truer de eksisterende algoritmebaserede krypteringer, som i dag sikrer dataoverførsler imod aflytning og overvågning. Endnu er computeren ikke stærk nok til at bryde dem, men det er et spørgsmål om tid. Lykkes det for en kvantecomputer at regne de sikreste algoritmer ud, så efterlader det en åben dør til alle data, der er forbundet via internettet. Det har sat turbo på arbejdet med at udvikle en ny krypteringsmetode, der ligesom kvantecomputeren bygger på kvantefysikkens principper.

For at lykkedes med det skal forskerne overvinde en af kvantemekanikkens udfordringer – at sikre konsistens over længere afstande. Continuous Variable Quantum Key Distribution har hidtil fungeret bedst over korte afstande.

”Vi har opnået en lang række forbedringer, især når det gælder tab af fotoner undervejs. I det her eksperiment, som er blevet offentliggjort i tidsskriftet Science Advances, er det lykkedes os at distribuere en kvantekrypteret nøgle sikkert 100 kilometer via fiberoptisk kabel. Det er en rekordstor afstand med den her metode,” siger professor på DTU, Tobias Gehring, der sammen med en gruppe forskere på DTU stiler mod at kunne distribuere kvantekrypteret information fra den ene ende af verden til den anden via internettet.

Hemmelige nøgler fra lys’ kvantetilstande

"Når data skal sendes fra A til B, skal den beskyttes. Kryptering kombinerer data med en sikker nøgle, som distribueres mellem afsender og modtager, for at begge kan få adgang til dataene. En tredjepart må ikke kunne regne nøglen ud, mens den overføres, i så fald vil krypteringen være brudt. Nøgleudvekslingen er derfor helt central i kryptering af data," forklarer Tobias Gehring.

Quantum Key Distribution (QKD) er den avancerede teknologi inden for nøgleudveksling, som forskerne arbejder med. Teknologien sikrer en udveksling af kryptografiske nøgler ved at bruge lys, der består af kvantemekaniske partikler, de såkaldte fotoner.

Når en afsender sender information indkodet i fotoner, udnyttes fotonernes kvantemekaniske egenskaber til at skabe en nøgle, der er unik for afsender og modtager. Andres forsøg på at måle eller observere fotoner i kvantetilstand vil øjeblikkeligt ændre deres tilstand. Derfor er det fysisk umuligt at foretage en måling af lys uden at forstyrre signalet.

”Det er ikke muligt at tage en kopi af en kvantetilstand, som når man tager en kopi af en A4 – hvis du prøver, bliver det en meget dårlig kopi. Det er det, der sikrer, at det ikke er muligt at kopiere nøglen. Det kan gøre det muligt at beskytte f.eks. kritisk infrastruktur som f.eks. sundhedsjournaler og finanssektoren mod at blive hacket,” forklarer Tobias Gehring.

fakta

Continuous Variable Quantum Key Distribution (CV QKD)

Quantum Key Distribution blev udviklet som koncept i 1984 af Bennett og Brassard, mens den første praktiske implementering af QKD blev udført af den canadiske fysiker og computerpioner Artur Ekert og hans kolleger i 1992. Deres bidrag har været afgørende for udviklingen af moderne QKD-protokoller; et sæt regler, procedurer eller konventioner, der bestemmer, hvordan en enhed skal udføre en opgave.

Quantum Key Distribution (QKD) er baseret på en grundlæggende usikkerhed i at kopiere fotoner i kvantetilstand. Fotoner er de kvantemekaniske partikler, som lys består af. Fotoner i kvantetilstand bærer på en grundlæggende usikkerhed, som betyder, at det ikke er muligt med sikkerhed at vide, om fotonen er en eller flere fotoner samlet i den givne tilstand, også kaldet koherent foton. Det forhindrer en hacker i at måle antallet af fotoner, og det gør det umuligt at tage en præcis kopi af en tilstand. De bærer også på en grundlæggende tilfældighed, fordi fotoner er i flere tilstande samtidigt, også kaldet superposition. Fotonernes superposition kollapser ind i en tilfældig tilstand, når målingen sker. Det gør det umuligt at måle, hvilken fase de er i præcist, mens de er i superposition.

Tilsammen bliver det umuligt for en hacker at kopiere en nøgle uden at introducere fejl, samtidig vil systemet vide, at en hacker forsøger at bryde ind, og kan lukke ned med det samme. Det bliver med andre ord umuligt for en hacker først at stjæle nøglen, og dernæst undgå at døren går i baglås i samme sekund, som hackeren sætter nøglen i låsen.

Continuous Variable Quantum Key Distribution (CV QKD) fokuserer på at måle de glidende egenskaber af kvantetilstande i fotoner. Det kan sammenlignes med at formidle information i en strøm af alle de nuancer, der findes af farver, i modsætning til at formidle information trinvist i hver enkel farve.

Fungerer via eksisterende infrastruktur

”Fordelen ved at bruge CV QKD-teknologien er, at vi kan opbygge et system, som ligner det, som optisk kommunikation i forvejen bygger på,” siger Tobias Gehring.

Rygraden i internettet er optisk kommunikation. Det virker ved at data sendes via infrarødt lys, der løber gennem optiske fibre. De fungerer som lysledere, der er lagt i kabler og sørger for, at vi kan sende data rundt i hele verden. Data kan sendes hurtigere og over længere afstande via lyslederkablerne, og lyssignalerne er mindre modtagelige over for forstyrrelser, det der i fagsprog kaldes for støj.

”Det er en standardteknologi, der har været brugt længe. Så du behøver ikke at opfinde noget nyt for at kunne anvende det til at distribuere kvantenøgler via, og det kan gøre det væsentligt billigere at implementere. Og så kan vi operere ved stuetemperatur,” forklarer Tobias Gehring og fortsætter:

”Men CV QKD-teknologien fungerer bedst over kortere afstande. Vores opgave er at få øget afstanden. Og de 100 kilometer er et stort skridt i den rigtige retning.”

100 kilometer optisk kabel på kabelruller — Optiske fibre er rygraden i internettet. 100 kilometer optiske fibre syner ikke af meget, men er det, der skal til, for at forbinde København med Korsør. Foto: DTU

Støj, fejl og hjælp fra maskinlæring

Forskerne lykkedes med at øge afstanden ved at arbejde med tre forhold, der begrænser deres system i at udveksle de kvantekrypterede nøgler over længere afstande:

Med hjælp fra maskinlæring kunne forskerne tidligere måle de uønskede forstyrrelser, der påvirkede systemet. Støj, som forstyrrelserne kaldes, kan fx opstå fra elektromagnetisk stråling, der kan forvrænge eller ødelægge de kvantetilstande, der sendes. Den tidligere opdagelse af støjen gjorde det muligt at reducere effekten af den tilsvarende mere. Forskerne blev desuden bedre til at rette fejl, der kan opstå undervejs, og som fx kan skyldes støj, forstyrrelser eller fejl i hardwaren.

”I vores kommende arbejde vil vi bruge teknologien til at oprette et sikkert kommunikationsnetværk mellem danske ministerier for at sikre deres kommunikation. Vi vil også forsøge at generere hemmelige nøgler mellem fx København og Odense, for at gøre det muligt for virksomheder med filialer i begge byer at etablere kvantesikker kommunikation," siger Tobias Gehring.

Fakta

Om projektet

Innovationsfonden Danmark, Danmarks Grundforskningsfond, Den Europæiske Unions Horizon Europe forsknings- og innovationsprogram, Carlsbergfondet og Den Tjekkiske Videnskabsfond støtter projektet. Forskergruppen består af Adnan A.E. Hajomer, Nitin Jain, Hou-Man Chin, Ivan Derkach, Ulrik L. Andersen og Tobias Gehring.

Den danske kvantekommunikationsinfrastruktur (QCI.DK) sigter mod at implementere danske kvantekommunikationsteknologier i et alsidigt netværk, der understøtter anvendelse af kvantekryptering i praksis.

Fakta

Kvanteteknologi

Kvanteteknologi er et område i stærk vækst. Forskerne på DTU arbejder særligt med tre teknologiområder. Det er kvantekommunikation og datasikkerhed, ultrafølsomme kvantesensorer og udvikling af kvantecomputere. Det sker både med grundforskning og udvikling af teknologier, så de kan anvendes af virksomheder og myndigheder, der i stigende omfang har interesse for området.

Læs mere på temasiden om kvanteteknologi.

Kontakt

Tobias Gehring Lektor Mobil: +4593511649 tobias.gehring@fysik.dtu.dk