Vårt digitala samhälle är starkt beroende av säker information, men med utvecklingen av kvantdatorer som potentiellt kan bryta dagens kryptering ökar säkerhetsriskerna snabbt. Kvantkommunikation – baserad på fysikens lagar – ger avlyssningssäkra lösningar.
Det finns många skäl – politiska, militära såväl som kommersiella – att hålla information hemlig. Individer är också starkt beroende av informationssäkerhet i dagens digitala samhälle, till exempel inom e-bank, e-hälsa och e-handel.
Krypteringen som används idag är baserad på matematiska problem som antas ta enormt lång tid att beräkna, som att hitta primtalsfaktorerna för ett specifikt, mycket stort tal. Men ingen har ännu lyckats matematiskt bevisa att det inte finns något snabbare sätt att lösa dessa problem och i takt med att kvantdatorer gör framsteg kommer nya beräkningsmetoder att utvecklas. Till exempel har det visat sig att framtida kvantdatorer har potential att mycket snabbt hitta primtalsfaktorerna för stora tal.
En lösning – som redan är i bruk – är att använda kryptering baserad på kvantpartiklar.
Hur fungerar det?
Kryptering bygger på så kallade krypteringsnycklar – vanligtvis strängar av ettor och nollor – som används för att kryptera och dekryptera information. Om mottagaren av ett krypterat meddelande har nyckeln kan hen dekryptera meddelandet och läsa informationen. Problemet är i allmänhet att överföra krypteringsnyckeln utan att någon obehörig får tag i den.
Vid kvantkommunikation överförs krypteringsnyckeln med hjälp av kvantpartiklar, vilket kallas kvantnyckeldistribution, på engelska quantum key distribution (QKD). Enligt kvantfysikens lagar är det omöjligt att mäta eller kopiera ett okänt tillstånd hos en kvantpartikel utan att märkbart ändra det. Därför kan man alltid vara säker på att upptäcka avlyssning. När nyckeln väl har överförts på ett säkert sätt kan meddelandet som krypterats med nyckeln skickas helt öppet, via en kommunikationskanal som vem som helst kan komma åt.
De kvantpartiklar som vanligtvis används vid kvantnyckeldistribution är fotoner, alltså ljuspartiklar. De har en kvantegenskap som kallas polarisation, som kan manipuleras och mätas genom att låta fotonen passera genom polarisationsfilter. Den mest etablerade metoden för kvantnyckeldistribution – BB84-protokollet – förlitar sig på att sändaren och mottagaren mäter fotonernas polarisation genom att slumpmässigt använda olika polarisationsfilter, vilket förklaras på ett bra sätt i Youtube-videon Quantum Cryptography in 6 Minutes.
Redan tillgängligt
Kommersiella system som använder BB84-protokollet finns redan på marknaden. Nackdelen med dessa system är att de kräver en kommunikationskanal i form av en obruten optisk fiber. Det begränsar avståndet till 200–300 km, en fysisk gräns som sätts av egenskaperna hos optiska fibrer och fotoner. Dessutom kan deras kostnadseffektivitet också ifrågasättas.
De mest avancerade, kända systemen för kvantkommunikation finns i Kina. Den första är en kvantkrypterad långdistanslänk mellan Peking och Shanghai, baserad på BB84-protokollet och obrutna optiska fibrer. För att täcka det mer än 1000 km långa avståndet mellan städerna vidarebefordras signalen av flera noder, som var och en dekrypterar och krypterar om datan innan den skickas vidare. Noderna är känsliga för hackning och därför har endast säkerhetsklassad personal tillgång till dem.
I det andra systemet fungerar satelliter som noder. När satelliten passerar över en markstation upprättas krypteringsnyckeln genom att sända och ta emot svaga pulser av få eller enstaka fotoner. Eftersom det är både mycket dyrt och svårt att resa till en satellit i omloppsbana, litar man på att satelliten inte kommer att utsättas för lokala hackningsförsök.
Klara av långa avstånd
Det begränsade avståndet över vilket det är möjligt att skicka kvantnycklar utan att de går förlorade på grund av uttunning eller dekoherens är ett stort hinder. För att ett globalt kvantkommunikationsnätverk ska bli verklighet måste man hitta ett sätt att förstärka och vidarebefordra signalerna, utan att behöva dekryptera och omkryptera data längs vägen. En så kallad kvantrepeterare skulle kunna göra jobbet.
Kvantrepeterare är mycket komplexa maskiner som kräver många kvantanordningar och undersystem för att fungera på hög prestandanivå med extremt bra timing och lagringsmöjligheter. Prestandan hos befintliga kvantrepeterare behöver fortfarande förbättras avsevärt för att möjliggöra ett globalt kvantnätverk (kvantinternet). Att utveckla praktiskt användbara kvantrepeterare är en av de viktigaste och mest utmanande uppgifterna inom nuvarande kvantkommunikationsforskning.
Bristen på bra kvantrepeterare är också anledningen till att man börjat använda satelliter som noder i kvantkommunikation, eftersom satelliter är säkrare från hackning än markbaserade noder. Dessutom möjliggör signalöverföring genom rymden effektiv överföring av kvantinformation med mindre försämring över långa avstånd än i fibernätverk.
I framkant
En annan nackdel med dagens BB84-system är att de kräver pålitliga enheter för att skicka och ta emot fotoner. Om spionutrustning har installerats i din fotonkälla eller mottagare kan någon annan avlyssna din kommunikation utan att du märker det.
Därför arbetar forskare med mer avancerade kvantkommunikationssystem som är oberoende av enheterna som används för att skicka och ta emot datan. Genom att utföra ett kvanttest, närmare bestämt ett så kallat Bell-test-experiment, på mottagna data kan man dra slutsatsen om datan är säker eller inte. Valet av utrustning blir då mindre viktigt ur säkerhetssynpunkt – man skulle till och med kunna köpa utrustning av en fiende. Dessa enhetsoberoende system är dock långsammare och mer tekniskt utmanande att implementera. Till exempel kräver de anordningar som kan sammanfläta fotoner, vilket inte är en standard hos nuvarande fotonkällor.
Forskare arbetar också på nya system för att öka kapaciteten och räckvidden för säker kvantkommunikation, genom att öka hastigheten för generering och överföring av kvantnycklar och dra fördel av flera olika frihetsgrader för flernivåkodning av kvantinformationen (i 'qudits ' istället för 'qubits').