Förklarare: Vad är kvantkommunikation?

Ms. Tech

Detta är den andra i raden av förklarare om kvantteknologi. De andra två är på kvantberäkning och postkvantkryptografi.

Det går knappt en vecka utan rapporter om något nytt megahack som har avslöjat enorma mängder känslig information, från människors kreditkortsuppgifter och hälsojournaler till företags värdefulla immateriella rättigheter. Hotet från cyberattacker tvingar regeringar, militärer och företag att utforska säkrare sätt att överföra information.

Idag krypteras känslig data vanligtvis och skickas sedan över fiberoptiska kablar och andra kanaler tillsammans med de digitala nycklar som behövs för att avkoda informationen. Datan och nycklarna skickas som klassiska bitar - en ström av elektriska eller optiska pulser som representerar ett s och 0 s. Och det gör dem sårbara. Smarta hackare kan läsa och kopiera bitar under transport utan att lämna ett spår.

Kvantkommunikation utnyttjar kvantfysikens lagar för att skydda data. Dessa lagar tillåter partiklar – vanligtvis fotoner av ljus för att överföra data längs optiska kablar – att anta ett tillstånd av överlagring, vilket innebär att de kan representera flera kombinationer av ett och 0 samtidigt. Partiklarna är kända som kvantbitar eller kvantbitar.

Det fina med qubits ur ett cybersäkerhetsperspektiv är att om en hacker försöker observera dem under transport, kollapsar deras superbräckliga kvanttillstånd till antingen ett eller 0 . Detta innebär att en hacker inte kan manipulera qubits utan att lämna efter sig ett tydligt tecken på aktiviteten.

Vissa företag har utnyttjat den här egenskapen för att skapa nätverk för att överföra mycket känslig data baserat på en process som kallas kvantnyckeldistribution eller QKD. I teorin är åtminstone dessa nätverk ultrasäkra.

Vad är kvantnyckelfördelning?

QKD innebär att krypterad data skickas som klassiska bitar över nätverk, medan nycklarna för att dekryptera informationen kodas och överförs i ett kvanttillstånd med hjälp av qubits.

Olika metoder, eller protokoll, har utvecklats för att implementera QKD. En mycket använd känd som BB84 fungerar så här. Föreställ dig två personer, Alice och Bob. Alice vill skicka data säkert till Bob. För att göra det skapar hon en krypteringsnyckel i form av qubits vars polariseringstillstånd representerar nyckelns individuella bitvärden.

Qubits kan skickas till Bob genom en fiberoptisk kabel. Genom att jämföra mätningar av tillståndet för en bråkdel av dessa qubits – en process som kallas nyckelsiktning – kan Alice och Bob fastställa att de har samma nyckel.

När qubits reser till sin destination kommer det bräckliga kvanttillståndet för några av dem att kollapsa på grund av dekoherens. För att ta hänsyn till detta kör Alice och Bob sedan igenom en process som kallas nyckeldestillation, som innebär att man beräknar om felfrekvensen är tillräckligt hög för att antyda att en hackare har försökt fånga upp nyckeln.

Om så är fallet lämnar de den misstänkta nyckeln och fortsätter att generera nya tills de är säkra på att de delar en säker nyckel. Alice kan sedan använda sin för att kryptera data och skicka den i klassiska bitar till Bob, som använder sin nyckel för att avkoda informationen.

Vi har redan börjat se fler QKD-nätverk dyka upp. Den längsta är i Kina, som har en 2 032 kilometer lång markförbindelse mellan Peking och Shanghai. Banker och andra finansiella företag använder det redan för att överföra data. I USA har en startup som heter Quantum Xchange träffat en överenskommelse som ger den tillgång till 500 miles (805 kilometer) fiberoptisk kabel som löper längs östkusten för att skapa ett QKD-nätverk. Den första delen kommer att länka Manhattan med New Jersey, där många banker har stora datacenter.

Även om QKD är relativt säker, skulle det vara ännu säkrare om det kunde räkna med kvantrepeaters.

Vad är en kvantrepeater?

Material i kablar kan absorbera fotoner, vilket innebär att de vanligtvis inte kan färdas mer än några tiotals kilometer. I ett klassiskt nätverk används repeatrar på olika punkter längs en kabel för att förstärka signalen för att kompensera för detta.

QKD-nätverk har kommit med en liknande lösning som skapar pålitliga noder på olika punkter. Peking-till-Shanghai-nätverket har 32 av dem, till exempel. Vid dessa waystationer dekrypteras kvantnycklar till bitar och krypteras sedan på nytt i ett nytt kvanttillstånd för deras resa till nästa nod. Men detta betyder att man inte riktigt kan lita på betrodda noder: en hackare som brutit mot nodernas säkerhet kan kopiera bitarna oupptäckta och därmed få en nyckel, liksom ett företag eller en regering som driver noderna.

Helst behöver vi kvantrepeterare, eller waystationer med kvantprocessorer i dem som skulle tillåta krypteringsnycklar att förbli i kvantform när de förstärks och skickas över långa avstånd. Forskare har visat att det i princip är möjligt att bygga sådana repeaters, men de har ännu inte kunnat producera en fungerande prototyp.

Det finns ett annat problem med QKD. Underliggande data överförs fortfarande som krypterade bitar över konventionella nätverk. Detta innebär att en hackare som brutit mot ett nätverks försvar kan kopiera bitarna oupptäckta och sedan använda kraftfulla datorer för att försöka knäcka nyckeln som används för att kryptera dem.

De mest kraftfulla krypteringsalgoritmerna är ganska robusta, men risken är stor nog att sporra vissa forskare att arbeta med en alternativ metod som kallas kvantteleportering.

Vad är kvantteleportation?

Detta kan låta som science fiction, men det är en riktig metod som innebär att data överförs helt i kvantform. Tillvägagångssättet bygger på ett kvantfenomen som kallas entanglement.

Kvantteleportering fungerar genom att skapa par av intrasslade fotoner och sedan skicka en av varje par till avsändaren av data och den andra till en mottagare. När Alice tar emot sin intrasslade foton låter hon den interagera med en minnesqubit som innehåller den data hon vill överföra till Bob. Denna interaktion förändrar tillståndet för hennes foton, och eftersom den är intrasslad med Bobs, ändrar interaktionen omedelbart även tillståndet för hans foton.

I själva verket teleporterar detta data i Alices minnesqubit från hennes foton till Bobs. Grafiken nedan beskriver processen lite mer detaljerat:

Forskare i USA, Kina och Europa tävlar om att skapa teleporteringsnätverk som kan distribuera intrasslade fotoner. Men att få dem att skala kommer att vara en enorm vetenskaplig och ingenjörsmässig utmaning. De många hindren inkluderar att hitta tillförlitliga sätt att churna ut massor av länkade fotoner på begäran och att behålla deras intrassling över mycket långa avstånd – något som kvantrepeaters skulle göra enklare.

Ändå har dessa utmaningar inte hindrat forskare från att drömma om ett framtida kvantinternet.

Vad är ett kvantinternet?

Precis som det traditionella internet skulle detta vara ett världsomspännande nätverk av nätverk. Den stora skillnaden är att de underliggande kommunikationsnätverken skulle vara kvantnät.

Det kommer inte att ersätta internet som vi känner det idag. Kattfoton, musikvideor och en hel del okänslig affärsinformation kommer fortfarande att flytta runt i form av klassiska bitar. Men ett kvantinternet kommer att tilltala organisationer som behöver hålla särskilt värdefull data säker. Det kan också vara ett idealiskt sätt att koppla information som flödar mellan kvantdatorer, som alltmer görs tillgängliga via datormolnet.

Kina ligger i spetsen för strävan mot ett kvantinternet. Den lanserade en dedikerad kvantkommunikationssatellit kallad Micius för några år sedan, och 2017 hjälpte satelliten till att arrangera världens första interkontinentala, QKD-säkrade videokonferens mellan Peking och Wien. En markstation länkar redan satelliten till Peking-till-Shanghai marknät. Kina planerar att skjuta upp fler kvantsatelliter, och flera städer i landet lägger planer för kommunala QKD-nätverk.

Vissa forskare har varnat för att även ett helt kvantinternet i slutändan kan bli sårbart för nya attacker som i sig är kvantbaserade. Men inför hackangreppet som plågar dagens internet, kommer företag, regeringar och militären att fortsätta utforska de lockande utsikterna till ett säkrare kvantalternativ.

Dölj