Επιστήμονες έχουν στείλει μηνύματα κρυπτογραφημένα με τις αρχές της κβαντικής φυσικής μέσω ενός εμπορικού τηλεπικοινωνιακού δικτύου 250 χιλιομέτρων στη Γερμανία, σε μια σημαντική πρόοδο προς την επόμενη γενιά ασφάλειας δεδομένων.
Ερευνητές της Toshiba Europe χρησιμοποίησαν κρυπτογραφία διανομής κλειδιών κβαντικής μηχανικής (QKD) για να μεταφέρουν μηνύματα μέσω παραδοσιακών επικοινωνιακών συστημάτων με τρόπο που είναι ασφαλής από χάκερς.
Κβαντική εμπλοκή
Η QKD εκμεταλλεύεται ένα φαινόμενο που ονομάζεται κβαντική εμπλοκή. Αυτό αναφέρεται στον τρόπο με τον οποίο τα χαρακτηριστικά δύο υποατομικών σωματιδίων μπορούν να σχετίζονται, ακόμα και όταν είναι απομονωμένα σε μεγάλες αποστάσεις. Μετρώντας δεδομένα από ένα σωματίδιο, μπορεί κανείς να συμπεράνει πληροφορίες από το άλλο. Αυτό επιτρέπει στο ζεύγος να χρησιμεύει ως κλειδιά που μπορούν να ανταλλάξουν κωδικοποιημένα μηνύματα, τα οποία είναι αδύνατο να διαβαστούν από εξωτερικούς παρατηρητές.
Οι ερευνητές κατάφεραν να στείλουν τέτοιου είδους κβαντικά μηνύματα με τυπική οπτική ίνα και χωρίς εξειδικευμένο εξοπλισμό ψύξης υπερβολικά χαμηλής θερμοκρασίας που συνήθως χρησιμοποιείται για αυτές τις επικοινωνίες. Δηλώνουν ότι είναι η πρώτη φορά που έχει πραγματοποιηθεί μια τόσο εκτενής απλοποιημένη ανταλλαγή κβαντικής πληροφορίας σε εμπορικό τηλεπικοινωνιακό δίκτυο.
Οι επιπτώσεις της ανακάλυψης
Ο Ρόμπερτ Γουντγουόρντ, επικεφαλής της ομάδας έρευνας QKD ίνας στην Toshiba Europe, δήλωσε ότι η ανακάλυψή τους «ανοίγει την πόρτα σε πολλές συναρπαστικές κβαντικές τεχνολογίες που μεταβαίνουν από το εργαστήριο σε πρακτικά δίκτυα».
Η ανθεκτικότητα των κβαντικών δικτύων σε χάκερς έχει προκαλέσει έντονο παγκόσμιο ενδιαφέρον για έρευνα, συμπεριλαμβανομένης της Κίνας, η οποία αναπτύσσει ένα παγκόσμιο σύστημα κβαντικών επικοινωνιών μέσω δορυφόρων.
«Μια άμεση πρακτική εφαρμογή των ευρημάτων μας είναι ότι είναι τώρα δυνατή η ανάπτυξη υψηλότερης απόδοσης QKD χρησιμοποιώντας εμπορικά βιώσιμα στοιχεία», είπε ο Γουντγουόρντ, ο οποίος είναι και συν-συγγραφέας μιας μελέτης για την εργασία που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature.
«Αυτό ανοίγει το δρόμο για εθνική και διεθνή κλίμακα ανάπτυξης υποδομών κβαντικών ασφαλών επικοινωνιών».
Οι κυβερνήσεις, οι εταιρείες και οι ακαδημαϊκοί ερευνητές καταβάλλουν προσπάθειες για τη βελτίωση της ασφάλειας πληροφοριών λόγω των αναδυόμενων τεχνολογικών απειλών στα κρυπτογραφημένα ευαίσθητα δεδομένα, όπως οι τραπεζικές συναλλαγές και οι ιατρικές εγγραφές. Εάν οι προσπάθειες ανάπτυξης ισχυρών υπολογιστών που βασίζονται στη θεωρία κβαντικής φυσικής επιτύχουν, θα μπορούσαν να σπάσουν τους περίπλοκους μαθηματικούς υπολογισμούς στους οποίους βασίζονται οι δεκαετίες παλαιές κρυπτογραφικές μέθοδοι.
Τεχνικές λεπτομέρειες και προκλήσεις
Η καινοτομία του γερμανικού πειράματος, που εκτεινόταν σε δίκτυο 254 χιλιομέτρων μεταξύ Φρανκφούρτης, Κιρχφελντ και Κελ, έγκειται στην απλότητα του εξοπλισμού που χρησιμοποιεί. Αποφεύγει την εξάρτηση από ακριβό και ενεργοβόρο μηχανισμό για τον έλεγχο της θερμοκρασίας και ανίχνευσης των φωτονίων στα οποία στηρίζεται η κβαντική μετάδοση δεδομένων.
«Αυτή η εργασία αντιπροσωπεύει μια σημαντική πρόοδο για την εφαρμογή ασφαλούς κβαντικής επικοινωνίας», δήλωσε η καθηγήτρια Σαντριν Χιουτζ, επικεφαλής του τμήματος υλικών στο Imperial College London.
«Η ευρείας κλίμακας εφαρμογή της κβαντικής επικοινωνίας εξαρτάται από πρακτικές μηχανικές προσεγγίσεις, όπως αυτές, που συνδυάζουν τη βιωσιμότητα με τη ασφαλή επικοινωνία σε περισσότερα από 250 χιλιόμετρα».
Άλλοι ερευνητές σημείωσαν ότι η χρήση ενός εμπορικού τηλεπικοινωνιακού δικτύου το διαφοροποιεί από τις εξειδικευμένες προσαρμογές που αναπτύχθηκαν στην εκτενή εργασία κβαντικών επικοινωνιών της Κίνας, τόσο στη Γη όσο και μέσω δορυφόρων.
Η χρήση λιγότερο εξελιγμένου εξοπλισμού μπορεί να εμπλέκει κάποια απώλεια ποιότητας επικοινωνίας, αλλά ανοίγει το δρόμο για τη δημιουργία μεγάλων κβαντικών συστημάτων πληροφορίας με μια ποικιλία δυνατοτήτων.
«Ερευνητικές ομάδες και κυβερνήσεις σε όλο τον κόσμο κατασκευάζουν κβαντικά δίκτυα σε κλίμακα, όχι μόνο για ασφαλείς επικοινωνίες αλλά και για σημαντικές καθημερινές δραστηριότητες όπως η πλοήγηση», δήλωσε ο Τζέιμς Μίλεν, πειραματικός κβαντικός επιστήμονας στο King’s College London.
«Ενώ είναι εφικτό να κατασκευαστεί ένα κβαντικό δίκτυο χρησιμοποιώντας δορυφόρους, είναι πιο οικονομικά συμφέρον να χρησιμοποιηθεί η υπάρχουσα υποδομή οπτικών ινών», πρόσθεσε.
Η χρήση των υπαρχουσών συστημάτων δημιουργεί μια ενδεχόμενη ευπάθεια για την τεχνολογία QKD μέσω επιθέσεων στις υποδομές αυτές. Ωστόσο, η φύση της QKD σημαίνει ότι οποιεσδήποτε απόπειρες υποκλοπής θα πρέπει να είναι εμφανείς στα μέρη της ανταλλαγής πληροφοριών.