Wie die Hochgeschwindigkeits-Quantenverschlüsselung das zukünftige Internet sichern könnte

MEIN GEHEIMNIS oder wie die Leseflaute entstand | melodyofbooks (Januar 2019).

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Die Forscher entwickelten eine kommerziell lebensfähige hochratige Quantenschlüsselverteilung mit zeitverschachtelten Quantenzuständen

Von Jean-Jacques DeLisle, beitragender Autor

Quantum Computing verspricht Rechengeschwindigkeiten auf einem bislang ungeahnten Niveau. In dieser Welt der Big Data und der neuen datengetriebenen wissenschaftlichen Entdeckung gibt es viele praktische Vorteile für die Verfügbarkeit von Quantencomputertechnologien. Die derzeitige Generation von Sicherheitscodes und Kryptographie beruht jedoch auf dem Prinzip, dass Computer mit modernen Fähigkeiten zu viel Verarbeitungszeit benötigen, um eine Bedrohung darzustellen. Dies ist bei den kommenden Quantencomputern nicht der Fall, und ein neues System kryptografischer Technologien ist erforderlich, um Sicherheit für das Bank-, Gesundheits-, Regierungs- und Militärsystem zu gewährleisten.

Laut Daniel Gauthier, Professor für Physik an der Ohio State University, haben wir jetzt wahrscheinlich einen funktionierenden Quantencomputer, der in naher Zukunft in der Lage sein könnte, die bestehenden kryptografischen Codes zu brechen. "Wir müssen jetzt wirklich über verschiedene Techniken nachdenken, mit denen wir versuchen könnten, das Internet zu sichern", sagte Gauthier .

Forscher von mehreren US-Universitäten und einer Universität in Singapur haben sich bemüht, eine kommerziell durchführbare Methode zu entwickeln, um das Sicherheitsproblem, das Quantencomputer darstellen, zu vereiteln. Ihre Lösung besteht darin, ein anderes Quantenphänomen zu verwenden, um eine nachweisbar sichere und hochratige Quantenschlüsselverteilung bereitzustellen. Im Gegensatz zu vielen weit reichenden Forschungsprojekten bauten diese Forscher ihr System mit handelsüblichen Komponenten aus und nutzten ein Protokoll, das auch für Freiraumquantenkanäle und nicht nur für faseroptische und infrastrukturbasierte Quantenkanäle verwendet werden konnte.

Eine neue Technik kann Quantenverschlüsselungscodes schnell und sicher übertragen. Bildquelle: Pixabay.

Eines der Hauptprobleme, für die die Gruppe eine Lösung suchte, waren die niedrigen Schlüsselgenerierungsraten früherer Quantenschlüsselverteilungssysteme, die mehrere Größenordnungen langsamer sind als bei herkömmlichen Schlüsselverteilungssystemen. Mit einer derart niedrigen Schlüsselerzeugungsrate waren die frühen Systeme zur Verwendung mit vielen Kommunikationsprozessen mit hoher Datenrate ungeeignet. Andere frühere Arbeiten stellen Quantenschlüsselverteilungssysteme vor, die auf supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektoren und Qubits (Quantenbits) basieren, die die Schlüsselgenerierungsraten verbesserten, aber immer noch begrenzen.

"Bei diesen Raten können quantensichere Verschlüsselungssysteme einige grundlegende tägliche Aufgaben nicht unterstützen, wie zum Beispiel das Führen eines verschlüsselten Telefonanrufs oder Video-Streaming", sagte Nurul Tamir Islam, Doktorand in Physik an der Duke University.

Diese neueste Forschung schlug die Verwendung von hochdimensionalen (d> 2) Quantenzuständen oder "qudits" vor, um eine größere Robustheit und eine verbesserte Effizienz im Vergleich zu früheren Quantenschlüsselverteilungssystemen bereitzustellen. Qudits stellen ein interessantes Versprechen dar, da die Anzahl der Bits, die auf einem Qdit codiert werden können, unbegrenzt ist und logarithmisch mit d skaliert wird. Qudits können auch verwendet werden, um die Schlüsselgenerierungsrate in Systemen zu erhöhen, die durch die Sättigung von Einzelphotonendetektoren begrenzt sind, und qu-Bits weisen eine größere Resistenz gegenüber Quantenkanalrauschen auf, was geringere Bitfehlerraten im Vergleich zu Qubit-basierten Systemen ermöglicht.

"Es veränderte diese zusätzlichen Eigenschaften des Photons, sodass wir die sichere Schlüsselrate, die wir erhalten konnten, fast verdoppeln konnten, wenn wir das nicht getan hätten", sagte Gauthier, der die Arbeit als Professor für Physik an der Duke University begann bevor er zur Oregon State University wechselte.

Die Sicherheit für dieses neue Quantenschlüsselverteilungssystem basiert auf entropischen Unschärferelationen für qudits, eine kürzlich entwickelte Technik. Dieser neue Prozess ermöglicht endliche Schlüsselgrenzen für gegenseitig unvoreingenommene Zustände und ist somit sicher gegenüber kohärenten Angriffen. Ein Drei-Intensitäts-Decoy-State-Verfahren wird verwendet, um die Einzelphotonen-Statistik zu schätzen und den geheimen Schlüssel zu extrahieren, und eine Grenze für eine extrahierbare geheime Schlüssellänge wird durch gemessene Daten bestimmt.

"Wir wollten jeden experimentellen Fehler im System identifizieren und diese Fehler in die Theorie einbeziehen, um sicherzustellen, dass unser System sicher ist und es keinen potenziellen Seitenkanalangriff gibt", sagte der Islam . "Abgesehen von den Einzelphotonen-Detektoren gibt es diese gesamte Ausrüstung in der Telekommunikationsindustrie, und mit etwas Technik könnten wir wahrscheinlich den gesamten Sender und Empfänger in eine Box einbauen, die so groß wie eine Computer-CPU ist."

Angesichts der Bedrohung durch Quantencomputer für herkömmliche Kryptographie- und Sicherheitstechnologien sind größere Forschungsanstrengungen erforderlich, um kommerziell durchführbare Systeme zum Schutz kritischer Informationen zu realisieren. Wenn diese Verschlüsselungssysteme vor dem Aufkommen von zugänglichem Quantencomputer verfügbar gemacht werden können, können wir eine Zeit vermeiden, in der selbst die sichersten herkömmlichen Verschlüsselungstechnologien leicht gehackt werden könnten.