Kinesisk satellit använder kvantkryptering för säker videokonferens mellan kontinenter

Kvantkryptografi tillåter kommunikation som garanterat är säker, tack vare fysikens lagar. Och det blir allt viktigare.

Fysiker har länge vetat att kvantdatorer kommer att kunna bryta nästan alla andra typer av kryptografi. Eftersom dessa enheter blir mer kapabla finns skriften på väggen för konventionell kryptering. Så kommersiella företag, regeringar och militären väntar alla med andan på att praktiska kvantkryptografisystem ska utvecklas.

Men det är ett problem. Kvantkryptografin förlitar sig på individuella fotoner för att bära kvantinformation. Men även de bästa optiska fibrerna kan bara bära dessa fotoner så långt – runt 200 kilometer – innan ljusabsorption gör processen omöjlig. Så kvantkryptografi har aldrig fungerat över mycket längre avstånd.

Idag förändras det, tack vare en extraordinär kinesisk satellit som lanserades 2016. Micius-satelliten har uppnått ett antal milstolpar under ett år eller så sedan den började fungera. Förra sommaren teleporterade den det första objektet från jorden till omloppsbana - en enda foton.

Nu har satelliten satt upp den första interkontinentala kvantkrypteringstjänsten. Forskare har testat systemet genom att upprätta en säker videokonferens mellan Europa och Kina. För första gången garanterades säkerheten för denna videokonferens av fysikens lagar.

Metoden är okomplicerad. Kvantkryptografi förlitar sig på vad som kallas en engångsplatta för att garantera integritet. Detta är en uppsättning slumptal – en nyckel – som kan användas av två parter för att koda och avkoda ett meddelande.

Traditionellt är problemet med engångsplattor att se till att endast sändaren och mottagaren har dem. Hur kan båda parter vara säkra på att ingen avlyssnare har kopierat nyckeln medan den distribueras?

Detta problem löses snyggt genom att skicka nyckeln med hjälp av kvantpartiklar som fotoner, eftersom det alltid är möjligt att avgöra om en kvantpartikel tidigare har observerats. Om den har det, överges nyckeln och en annan skickas tills båda parter är säkra på att de är i besittning av en oobserverad engångsplatta.

Det är kvantnyckeldistribution - den avgörande processen i hjärtat av kvantkryptografi. Efter att båda parter har nyckeln – engångsplattan – kan de kommunicera över vanliga klassiska kanaler med perfekt säkerhet.

Micius-satelliten distribuerar helt enkelt denna nyckel från omloppsbana. Eftersom den befinner sig i en solsynkron bana över polerna, passerar satelliten över varje del av jordens yta vid ungefär samma lokala tid varje dag.

Så när satelliten är över den kinesiska markstationen i Xinglong i Kinas norra Hebei-provins, skickar den engångsplattan till marken, kodad i enstaka fotoner med hjälp av ett väletablerat protokoll. När jorden roterar under satelliten och när markstationen i Graz i Österrike syns, skickar Micius samma engångsknapp till mottagaren där.

De två platserna har sedan båda samma nyckel som gör att de kan initiera helt säker kommunikation över en klassisk länk.

Experimentet går dock ett steg längre. Målet var att anordna en videokonferens mellan den kinesiska vetenskapsakademin i Peking och den österrikiska vetenskapsakademin i Wien, så nyckeln måste distribueras säkert till båda dessa platser. Och för det använder teamen markbaserad kvantkommunikation över optiska fibrer.

Slutligen satte de upp en videolänk säkrad av Advanced Encryption Standard (AES) som uppdateras varje sekund med 128-bitars frökoder. I september höll de en banbrytande videokonferens som varade i 75 minuter med en total dataöverföring på ungefär två gigabyte.

Vi har visat interkontinental kvantkommunikation mellan flera platser på jorden med en maximal avstånd på 7 600 kilometer, säger teamen, som leds av Anton Zeilinger vid universitetet i Wien och av Jian-Wei Pan vid universitetet för vetenskap och teknik i Kina i Hefei, Kina.

Det finns några potentiella svagheter i systemet att arbeta med för framtiden. Det kanske viktigaste är att satelliten anses vara säker under den tid det tar att koppla ihop de två markstationerna. Det kan mycket väl vara sant – vem skulle kunna hacka en satellit i omloppsbana? – men denna säkerhet garanteras inte av fysikens lagar. Teamen säger dock att detta kan åtgärdas i framtida konstruktioner med ett kvantrelä från slut till ände.

Oavsett bristerna är detta ett imponerande arbete. Det är en proof-of-princip demonstration av säker kommunikation på global skala. Vårt arbete pekar mot en effektiv lösning för ett globalt kvantnätverk på ultralånga avstånd, som lägger grunden för ett framtida kvantinternet, säger Zeilinger, Jian-Wei och deras kollegor.

Många regeringar, militära operatörer och kommersiella företag är angelägna om en liknande förmåga. Så det kommer säkert inte att dröja länge innan kommersiella versioner av Micius-satelliten säljer den här typen av säker kommunikation runt om i världen. Med Kina som leder vägen.

Ref: arxiv.org/abs/1801.04418 : Satellit-Relayed Intercontinental Quantum Network

Dölj