Onderzoekers van de UT hebben een nieuwe manier gevonden om gegevens te beschermen tegen aanvallen met kwantumcomputers. Zoals ze vandaag publiceerden in New Journal of Physics. Met kwantumcomputers in opkomst kunnen we niet langer uitsluiten dat een kwantumcomputer zo krachtig wordt dat hij de bestaande cryptografie kan breken. Losse lichtdeeltjes – fotonen – worden al gebruikt om gegevens te beschermen, maar de transmissiesnelheid is traag, met slechts 1 bit per foton. Pepijn Pinkse leidde het experiment om de transmissiesnelheid te verhogen tot 7 bits per foton.
Computers gebruiken cryptografie om hun communicatie te beveiligen. Zo moet de communicatie tussen je telefoon en je bank om geld over te maken beveiligd zijn om te voorkomen dat criminelen het bericht wijzigen en de bank vertellen dat ze geld naar een andere bankrekening moeten overmaken. In theorie zou een kwantumcomputer bestaande cryptografie kunnen breken. Maar tot voor kort was het nog opmerkelijk als een kwantumcomputer iets kon doen wat een snelle, klassieke computer niet kon. Dit punt noemen we ‘quantum supremacy’.
Fig. 1 Het verzenden van licht met grote alfabetcodering
Quantum supremacy
Onlangs claimde Google in Nature een experimenteel bewijs van deze 'quantum supremacy', zij het met een berekening die geen praktisch nut heeft. Toch kunnen we niet langer uitsluiten dat kwantumcomputers zo krachtig worden dat ze de bestaande cryptografie doorbreken, omdat er kwantumalgoritmen bekend zijn die de meest gebruikte cryptografische methoden van vandaag de dag doorbreken. Gelukkig biedt kwantumtechnologie ook oplossingen. Met Quantum Key Distribution (QKD) kan men veilig geheime sleutels opbouwen tussen een afzender en een ontvanger. Dit is geen science fiction. Commerciële QKD systemen zijn verkrijgbaar bij verschillende leveranciers en er zijn al ruimtevaartversies ingezet.
Het vergroten van kwantum alfabetten
Standaard QKD-systemen maken gebruik van enkelvoudige lichtdeeltjes - fotonen - die zich in een van de twee mogelijke toestanden bevinden, bijvoorbeeld horizontaal of verticaal gepolariseerd. Dit beperkt de transmissie tot 1 bit per foton. In zekere zin zijn de fotonen gecodeerd in een alfabet van slechts twee letters: a en b.
Onderzoekers van de UT hebben dit alfabet nu met meer dan duizend letters vergroot. Dit verhoogt de weerstand tegen ruis en verhoogt mogelijk de datasnelheid. Ze hebben dit bereikt door de kwantuminformatie te coderen in 1024 mogelijke locaties van de gebruikte fotonen. Om het voor een aanvaller moeilijk te maken om te zien wat er is verzonden, wisselen ze de codering willekeurig tussen twee verschillende alfabetten.
Nederlands spreken in een Chinese vergaderzaal
Pepijn Pinkse, die het experiment leidde, legt uit: "Het is alsof je probeert te raden wat er in twee vergaderzalen wordt gezegd. In de ene zaal is de taal Chinees en in de andere Nederlands, maar je weet het niet voordat je binnenkomt. Als een Nederlander de Chinese zaal kiest, begrijpt hij niets, hoewel de lezingen voor een Chinese spreker glashelder zijn. In onze methode gebruikt de afzender twee talen en wisselt hij willekeurig tussen de twee talen. Ook wisselt de ontvanger tussen het luisteren in de ene of de andere taal. Alleen als de talen samenvallen, worden er nuttige bits overgebracht. Luisteren naar beide talen tegelijk is verboden door de fundamentele wetten van de natuurkunde".
New Journal of Physics
Door gebruik te maken van deze techniek in combinatie met zeer zwak licht, een videoprojectorchip en een moderne single-foton detectiecamera, toonden de onderzoekers aan dat ze tot 7 beveiligde bits per foton konden uitzenden. Hun resultaten zijn op 18 december gepubliceerd in New Journal of Physics in hun paper getiteld Large-alphabet quantum key distribution using spatially encoded light
