Дослідники встановили новий рекорд передачі інформації за допомогою Quantum Keys

Дослідники з Технічного університету Данії (DTU) успішно застосували квантове шифрування для безпечної передачі інформації на відстань 100 кілометрів через оптоволоконний кабель, приблизно таку ж відстань, як між Оксфордом і Лондоном.

Вчені Технічного університету Данії (DTU) досягли прориву в захищеному зв’язку, розповсюдивши квантово-безпечний ключ за допомогою безперервного розподілу квантового ключа (CV QKD). Ця команда встановила новий рекорд, зробивши техніку ефективною на безпрецедентній дистанції в 100 кілометрів, найбільшій відстані, досягнутій за допомогою CV QKD. Перевагою методу є те, що його можна застосувати до існуючої інфраструктури Інтернету.

Квантові комп’ютери загрожують існуючим шифруванням на основі алгоритмів, які зараз захищають передачу даних від прослуховування та стеження. Вони ще не настільки потужні, щоб їх зламати, але це питання часу. Якщо квантовому комп’ютеру вдається розробити найбезпечніші алгоритми, він залишає відкритими двері для всіх даних, підключених через Інтернет. Це прискорило розробку нового методу шифрування, заснованого на принципах квантової фізики.

Але щоб досягти успіху, дослідники повинні подолати одну з проблем квантової механіки – забезпечення узгодженості на великих відстанях. Безперервний змінний квантовий розподіл ключів наразі найкраще працював на коротких відстанях.

«Ми досягли широкого діапазону покращень, особливо щодо втрати фотонів на цьому шляху. У цьому експерименті, опублікованому в Science Advances, ми безпечно розповсюдили квантово-зашифрований ключ на 100 кілометрів через оптоволоконний кабель. Це рекордна відстань із цим методом», — каже Тобіас Герінг, доцент DTU, який разом із групою дослідників DTU прагне поширювати квантово-зашифровану інформацію по всьому світу через Інтернет.

Секретні ключі від квантових станів світла

«Коли дані потрібно надіслати з А в Б, вони повинні бути захищені. Шифрування поєднує дані з безпечним ключем, розподіленим між відправником і одержувачем, щоб обидва могли отримати доступ до даних. Третя сторона не повинна мати можливість визначити ключ під час його передачі; інакше шифрування буде скомпрометовано. Тому обмін ключами є важливим для шифрування даних.

Квантовий розподіл ключів (QKD) — це передова технологія, над якою працюють дослідники для важливих обмінів. Технологія забезпечує обмін криптографічними ключами за допомогою світла від квантово-механічних частинок, званих фотонами.

Коли відправник надсилає інформацію, закодовану у фотонах, квантово-механічні властивості фотонів використовуються для створення унікального ключа для відправника та одержувача. Спроби інших виміряти або спостерігати фотони в квантовому стані миттєво змінять їхній стан. Отже, фізично можливо виміряти світло лише шляхом збурення сигналу.

«Неможливо зробити копію квантового стану, як при копіюванні аркуша формату А4 – якщо спробувати, то буде неповноцінна копія. Це гарантує, що неможливо скопіювати ключ. Це може захистити критичну інфраструктуру, таку як медичні записи та фінансовий сектор, від злому», – пояснює Тобіас Герінг.

Працює через існуючу інфраструктуру

Технологію постійного змінного квантового розподілу ключів (CV QKD) можна інтегрувати в існуючу інтернет-інфраструктуру.

«Перевага використання цієї технології полягає в тому, що ми можемо створити систему, яка нагадує те, на що вже спирається оптичний зв’язок».

Основою Інтернету є оптичний зв’язок. Він працює, надсилаючи дані через інфрачервоне світло, що проходить через оптичні волокна. Вони функціонують як світловоди, прокладені в кабелях, забезпечуючи надсилання даних по всьому світу. Дані можна надсилати швидше та на більшу відстань через волоконно-оптичні кабелі, а світлові сигнали менш сприйнятливі до перешкод, які технічною мовою називають шумом.

«Це стандартна технологія, яка використовується протягом тривалого часу. Отже, вам не потрібно винаходити нічого нового, щоб мати можливість використовувати його для розповсюдження квантових ключів, і це може значно здешевити впровадження. І ми можемо працювати при кімнатній температурі», — пояснює Тобіас Герінг, додаючи:

«Але технологія CV QKD найкраще працює на коротших відстанях. Наше завдання — збільшити дистанцію. І 100 кілометрів – це великий крок у правильному напрямку».

Шум, помилки та допомога від машинного навчання

Дослідникам вдалося збільшити відстань, звернувшись до трьох факторів, які обмежують їх систему в обміні квантово-зашифрованими ключами на більшій відстані:

Машинне навчання забезпечило попередні вимірювання збоїв, що впливають на систему. Шум, як називають ці збурення, може виникати, наприклад, через електромагнітне випромінювання, яке може спотворювати або руйнувати квантові стани, що передаються. Раніше виявлення шуму дозволило більш ефективно зменшити його відповідний ефект.

Крім того, дослідники стали кращими у виправленні помилок, які можуть виникнути під час роботи, які можуть бути спричинені шумом, перешкодами або недосконалістю апаратного забезпечення.

«У нашій майбутній роботі ми будемо використовувати цю технологію для встановлення захищеної мережі зв’язку між міністерствами Данії, щоб убезпечити їхній зв’язок. Ми також спробуємо згенерувати секретні ключі між, наприклад, Копенгагеном і Оденсе, щоб компанії з філіями в обох містах могли встановлювати квантово безпечний зв’язок», — говорить Тобіас Герінг.