Κβαντική κρυπτογράφηση των δικτύων, γιατί θεωρείται σημαντική

Κβαντική κρυπτογράφηση των δικτύων, γιατί θεωρείται σημαντική.

Οι ερευνητές έστειλαν ένα κβαντικό (quantum-secured) μήνυμα που περιέχει περισσότερα από ένα κομμάτι πληροφοριών ανά φωτόνιο μέσω του αέρα πάνω από μια πόλη. Η επίδειξη έδειξε ότι θα μπορούσε μία μέρα να είναι πρακτική η χρήση της κβαντικής επικοινωνίας σε υψηλή χωρητικότητα και ελεύθερο χώρο για τη δημιουργία μιας άκρως ασφαλούς σύνδεσης μεταξύ επίγειων δικτύων και δορυφόρων, το οποίο είναι απαραίτητο για να δημιουργηθεί ένα παγκόσμιο κβαντικό δίκτυο κρυπτογράφησης.

Η κβαντική κρυπτογράφηση χρησιμοποιεί φωτόνια για την κωδικοποίηση πληροφοριών με τη μορφή κβαντικών δυαδικών ψηφίων. Στην απλούστερη μορφή της, γνωστή ως κρυπτογράφηση 2D, κάθε φωτόνιο κωδικοποιεί ένα bit: είτε είναι ένα, είτε μηδέν.

Οι επιστήμονες έχουν διαπιστώσει ότι ένα μόνο φωτόνιο μπορεί να κωδικοποιήσει ακόμη περισσότερες πληροφορίες – μια έννοια γνωστή ως υψηλή κρυσταλλική κβαντική κρυπτογράφηση – αλλά μέχρι τώρα αυτό δεν έχει αποδειχθεί ποτέ με οπτική επικοινωνία ελεύθερου χώρου σε πραγματικές συνθήκες.

Τα οκτώ bits είναι απαραίτητα για την κωδικοποίηση μόνο ενός γράμματος, για παράδειγμα, η συσκευασία περισσότερων πληροφοριών σε κάθε φωτόνιο θα επιταχύνει σημαντικά τη μετάδοση δεδομένων.

“Η δουλειά μας είναι η πρώτη που στέλνει μηνύματα με ασφαλή τρόπο χρησιμοποιώντας υψηλής κρυσταλλικής κλίμακας κρυπτογράφηση σε ρεαλιστικές συνθήκες της πόλης, συμπεριλαμβανομένης της αναταραχής”, δήλωσε ο Ebrahim Karimi, από το Πανεπιστήμιο της Οτάβας, στον Καναδά.

“Το ασφαλές σύστημα επικοινωνίας ελεύθερου χώρου που παρουσιάσαμε θα μπορούσε να συνδέσει τη Γη με δορυφόρους, να συνδέσει με ασφάλεια μέρη όπου είναι υπερβολικά ακριβό να εγκατασταθούν ίνες ή να χρησιμοποιηθεί για κρυπτογραφημένη η επικοινωνία με ένα κινούμενο αντικείμενο, όπως ένα αεροπλάνο” πρόσθεσε ο Karimi.

Οι ερευνητές κατέδειξαν κβαντική κρυπτογράφηση 4D σε ένα οπτικό δίκτυο ελεύθερου χώρου που εκτείνεται σε δύο κτίρια που βρίσκονται σε απόσταση 0,3 χιλιομέτρων από το Πανεπιστήμιο της Οτάβα. Αυτό το υψηλότατο σχήμα κρυπτογράφησης αναφέρεται ως 4D επειδή κάθε φωτόνιο κωδικοποιεί δύο δυαδικά ψηφία πληροφοριών, τα οποία παρέχουν τις τέσσερις δυνατότητες 01, 10, 00 ή 11.

Εκτός από την αποστολή περισσότερων πληροφοριών ανά φωτόνιο, η κβαντική κρυπτογράφηση μεγάλης διαστάσεως μπορεί επίσης να ανεχτεί περισσότερο θόρυβο απόκρυψης σήματος πριν η μετάδοση γίνει ανασφαλής.

Ο θόρυβος μπορεί να προκύψει από τον τυρβώδη αέρα, τα ηλεκτρονικά σφάλματα που έχουν αποτύχει, τους ανιχνευτές που δεν λειτουργούν σωστά και από τις προσπάθειες ανάσχεσης των δεδομένων. “Αυτό το ανώτατο όριο θορύβου σημαίνει ότι όταν αποτύχει η κβαντική κρυπτογράφηση 2D, μπορείτε να προσπαθήσετε να εφαρμόσετε το 4D επειδή, κατ ‘αρχήν, είναι πιο ασφαλές και πιο ανθεκτικό στο θόρυβο”, δήλωσε ο Karimi.

Χρησιμοποιώντας φως για κρυπτογράφηση.

Σήμερα, οι μαθηματικοί αλγόριθμοι χρησιμοποιούνται για την κρυπτογράφηση μηνυμάτων κειμένου, τραπεζικών συναλλαγών και πληροφοριών για την υγεία. Η παρεμπόδιση αυτών των κρυπτογραφημένων μηνυμάτων απαιτεί τον προσδιορισμό του ακριβούς αλγορίθμου που χρησιμοποιείται για την κρυπτογράφηση ενός δεδομένου, ένα επίτευγμα που είναι δύσκολο τώρα αλλά αναμένεται να καταστεί ευκολότερο στην επόμενη δεκαετία, έτσι ώστε οι υπολογιστές να γίνουν πιο ισχυροί.

Δεδομένης της προσδοκίας ότι οι τρέχοντες αλγόριθμοι ενδέχεται να μην λειτουργούν στο μέλλον, δίδεται περισσότερη προσοχή σε ισχυρότερες τεχνικές κρυπτογράφησης όπως η κατανομή κβαντικού κλειδιού, η οποία χρησιμοποιεί ιδιότητες ελαφρών σωματιδίων γνωστών ως κβαντικές καταστάσεις για να κωδικοποιούν και να στέλνουν το κλειδί που απαιτείται για την αποκρυπτογράφηση των κωδικοποιημένων δεδομένων.

Παρόλο που η κβαντική κρυπτογράφηση ενσύρματου και ελεύθερου χώρου έχει αναπτυχθεί σε ορισμένα μικρά τοπικά δίκτυα, η εφαρμογή της σε παγκόσμιο επίπεδο θα απαιτήσει την αποστολή κρυπτογραφημένων μηνυμάτων μεταξύ επίγειων σταθμών και των δορυφορικών δικτύων κβαντικής επικοινωνίας που θα συνδέουν πόλεις και χώρες.

Οι οριζόντιες δοκιμές μέσω του αέρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προσομοίωση της αποστολής σημάτων σε δορυφόρους, με περίπου τρία οριζόντια χιλιόμετρα να είναι περίπου ίσα με την αποστολή του σήματος μέσω της ατμόσφαιρας της Γης σε ένα δορυφόρο.

Πριν δοκιμάσουν μια δοκιμή τριών χιλιομέτρων, οι ερευνητές ήθελαν να δουν αν ήταν ακόμη δυνατή η εκτέλεση 4D κβαντικής κρυπτογράφησης εκεί έξω. Αυτό θεωρήθηκε τόσο δύσκολο που κάποιοι άλλοι επιστήμονες στον τομέα δήλωσαν ότι το πείραμα δεν θα λειτουργούσε. Ένα από τα πρωταρχικά προβλήματα που αντιμετωπίζουν κατά τη διάρκεια οποιουδήποτε πειράματος ελεύθερου χώρου είναι η αντιμετώπιση του αεροπορικού στροβιλισμού, το οποίο παραμορφώνει το οπτικό σήμα.

Πραγματικές δοκιμές

Για τις δοκιμές, οι ερευνητές έφεραν τις εργαστηριακές τους οπτικές ρυθμίσεις σε δύο διαφορετικές στέγες και τους κάλυψαν με ξύλινα κουτιά για να παρέχουν κάποια προστασία στα στοιχεία.

Μετά από πολλή δοκιμή και αρκετά σφάλματα, έστειλαν με επιτυχία μηνύματα που έχουν εξασφαλιστεί με κβαντική κρυπτογράφηση 4D μέσω της σύνδεσης intracity τους. Τα μηνύματα παρουσίασαν ποσοστό σφάλματος 11%, κάτω από το όριο του 19% που απαιτείται για τη διατήρηση μιας ασφαλούς σύνδεσης.

Επίσης, συγκρίθηκαν μεταξύ τους η 4D κρυπτογράφηση με την 2D, διαπιστώνοντας ότι, μετά από διόρθωση σφάλματος, θα μπορούσαν να μεταδώσουν 1,6 φορές περισσότερες πληροφορίες ανά φωτόνιο με κβαντική κρυπτογράφηση 4D, ακόμη και με αναταράξεις.

“Αφού έφερα τον εξοπλισμό που κανονικά θα χρησιμοποιούσε σε ένα καθαρό, απομονωμένο εργαστηριακό περιβάλλον σε μια στέγη που εκτίθεται στα στοιχεία και δεν έχει απομόνωση με δονήσεις, ήταν πολύ ικανοποιητικό να βλέπουμε αποτελέσματα που να δείχνουν ότι μπορούμε να μεταδώσουμε ασφαλή δεδομένα”, δήλωσε η Alicia Sit , Προπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο του Karimi.

Ως επόμενο βήμα, οι ερευνητές σχεδιάζουν να εφαρμόσουν το πρόγραμμά τους σε ένα δίκτυο που περιλαμβάνει τρεις συνδέσμους που απέχουν περίπου 5,6 χιλιόμετρα και χρησιμοποιεί μια τεχνολογία γνωστή ως προσαρμοστική οπτική για να αντισταθμίσει την αναταραχή. Τελικά θέλουν να συνδέσουν αυτό το δίκτυο με αυτό που υπάρχει τώρα στην πόλη. “Ο μακροπρόθεσμος στόχος μας είναι να εφαρμόσουμε ένα κβαντικό δίκτυο επικοινωνίας με πολλαπλούς συνδέσμους αλλά χρησιμοποιώντας περισσότερες από τέσσερις διαστάσεις ενώ προσπαθούμε να ξεπεράσουμε την αναταραχή”, δήλωσε ο Sit.