Kuantum kriptografisi, bilgisayarların kuantum fiziğinin göz kamaştırıcı ışıltısını kullanarak ultra güvenli bağlantılar üzerinden birbirleriyle iletişim kurduğu bir gelecek vaat ediyor . Ancak araştırma laboratuvarlarındaki atılımları çok sayıda düğüme sahip ağlara ölçeklendirmenin zor olduğu kanıtlandı. Artık uluslararası bir araştırmacı ekibi, mesajları şifrelemek için anahtarları paylaşmak için şehir çapında ölçeklenebilir bir kuantum ağı oluşturdu.
Ağ, pahalı kuantum donanım maliyetlerinde mantıksız bir artışa neden olmadan büyüyebilir. Ayrıca, bu sistem herhangi bir düğümün güvenilir olmasını gerektirmez, bu nedenle herhangi bir güvenliği zayıflatan zayıf bağlantıları kaldırır.
Bristol Üniversitesi’nden Siddarth Koduru Joshi , “Bunu hem laboratuvarda hem de Bristol kentinde konuşlandırılmış liflerde test ettik” diyor . O ve meslektaşları , en uzak düğümlerin, onları birbirine bağlayan optik fiberin uzunluğu ile ölçüldüğü üzere, birbirinden 17 kilometre uzakta olduğu sekiz düğümlü bir kuantum ağı kullanarak fikirlerini gösterdiler . Ekibin bulguları 2 Eylül’de Science Advances’te yayınlandı.
İLAN
TWO’S COMPANY, THREE’S A CROWD
Kuantum kriptografisi, mesajların kodlanması ve kodunun çözülmesi için özel bir anahtar, kuantum anahtar dağıtımı veya QKD adı verilen bir işlem oluşturmak için kuantum fiziği yasalarını kullanmayı içerir.
QKD için en sık kullanılan protokolde, bir taraf, Alice, bir kuantum biti veya kübit hazırlar ve diğerine Bob gönderir. Kübit, iki durumun kuantum süperpozisyonunda bulunan bir parçacıktır. Bob, rasgele, parçacığın bir dizi ölçümünden birini seçer. Bob doğru ölçüm türünü seçerse, Alice’in kübit içinde kodladığı değeri bilecektir. Bu tür kübitlerin bir dizi ölçümünden sonra, Alice ve Bob halka açık bir şekilde notlar alır ve Bob’un ölçümlerinin belirli bir alt kümesinin sonuçlarını kullanmayı kabul eder (her ikisi de bu alt küme için her kübitin değerini bilir). Diğer ölçümleri atarlar. En önemlisi, sonuçlar herkese açık değildir ve Alice ve Bob bunları, halka açık bir bağlantı üzerinden gönderilen mesajları şifrelemek ve şifresini çözmek için özel bir anahtar oluşturmak için kullanır.
Ancak bu yöntemin ölçeğini büyütmek zordur. Ağa Charlie adında başka bir kullanıcı eklemek istediğinizi düşünün. Bir seçenek, Bob ve Charlie’nin güvenli bir bağlantı kurmasıdır. Sonra Alice, Bob aracılığıyla Charlie’ye bir mesaj gönderebilir, ancak Bob’a güvenmesi gerekir.
Viyana Kuantum Optik ve Kuantum Bilgi Enstitüsü’nden ekip üyesi Sebastian Neumann , “Bu pek çekici değil” diyor . “Kuantum kriptografinin tüm noktası koşulsuz güvenliktir.”
Bob’a güvenmek zorunda kalmamak için Charlie, hem Alice hem de Bob’a doğrudan bağlanabilir. Şimdi bu ikisi Charlie ile iletişim kurmak için ekstra donanıma ihtiyaç duyacak çünkü mevcut düğümleri bozmadan yeni bir düğüm eklenemez. Ve bu sorun, yalnızca bir ekstra düğüm eklediğinizde ortaya çıkar . Yeni düğümler eklendikçe gereksinimler maliyet ve karmaşıklık açısından mantıklıdır. Örneğin, iki düğümlü bir ağın bir bağlantısı vardır, üç düğümlü bir ağın bunlardan üçü, sekiz düğümlü bir ağın 28’i ve 100 düğümlü bir ağın 4,950’ye ihtiyacı vardır.
İLAN
Joshi ve meslektaşları, bu sorunların çoğunun üstesinden gelen yeni bir ağ türü tasarlamak için herhangi iki düğüm arasında dolaşan parçacıkların paylaşılmasını içeren başka bir QKD protokolü kullandılar.
METROPOLİTAN MULTİPLEX
Bu protokolde, Alice ve Bob, özel bir anahtar oluşturmak için dolaşık foton çiftlerini kullanır. Böyle bir çiftten bir foton verildiğinde, Alice rastgele belirli bir dizi ölçümden birini gerçekleştirir. Bob, parçacığıyla aynı şeyi yapıyor. Fotonlar dolaşık olduğundan Alice ve Bob aynı ölçümü yaparlarsa aynı sonucu alacaklardır. İkili, eşleştirilmiş parçacıkların ölçüm sıralarını kamuya açık bir şekilde paylaşıyor. Daha sonra, onlara aynı sonuçları verecek alt kümeyi seçerler ve diğerlerini atarlar. Asla kamuya açıklanmayan bu sonuçlar, özel bir anahtarın temelini oluşturur.
Araştırmacılar, sekiz düğümün her birinin fiziksel olarak diğer tüm düğümlere bağlı olduğu bir ağ oluşturmak yerine, Alice, Bob, Chloe, Dave, Feng, Gopi adlı sekiz düğüme dolaşan fotonları gönderen merkezi bir kaynakla bir ağ oluşturdular. , Heidi ve Ivan. Her düğüm kaynağa yalnızca tek bir optik fiber bağlantı yoluyla bağlanır ve toplamda sekiz bağlantı oluşturur – güvenilen düğümler içermeyen geleneksel QKD için gerekli olan 28 bağlantıdan çok daha azdır.
Dolayısıyla, düğümler fiziksel olarak bağlı olmasa bile, araştırmacıların geliştirdiği protokol, her bir çiftin özel bir anahtar oluşturabilmesi için kuantum dolanma büyüsü yoluyla her bir çifti arasında sanal bir bağlantı kurar.
Merkezi kaynak, kutuplaşmalarında dolaşan bir çift fotonu yayan, doğrusal olmayan bir kristale sahiptir. Bu fotonlar, yaklaşık olarak 1.550 nanometre artı veya eksi birkaç on nanometre merkezli bir dalga boyuna sahiptir. Eğer biri 1.560 nanometrede fotonlardan birini arayıp bulursa, enerjinin korunumu yasası, dolaşan partnerinin 1.540 nanometre dalga boyuna sahip olacağını belirtir. Böyle dar bir dalga boyu bir kanaldır. Merkezi kaynak, ilk dolaşık çiftin dalga boyunu 1.550 nanometrenin her iki tarafında sekiz ve eşit uzaklıkta olmak üzere 16 kanala böler. Bunu etkili bir şekilde yapmak, bir tarafta 1’den 8’e ve diğer tarafta –1’den –8’e kadar numaralandırılmış sekiz kanal çifti oluşturur. Ölçüm üzerine fotonlar elbette
GÜVENLİ ŞEKİLDE ÖLÇEKLENDİRME
Yeni bir düğüm eklemek basittir: onu sadece kanal bölme ve çoğullama şemasını değiştirmek zorunda olan merkezi kaynağa bağlayın. Ancak mevcut düğümlerin hiçbirinin endişelenmesine gerek yok. Joshi, “Ağ değiştikçe Alice’in hiçbir şeyi değiştirmesi gerekmiyor,” diyor.
Ayrıca, ek donanım, düğümlerdeki artışla doğrusal olarak ölçeklenmeyi gerektirdi – önceki tekniklere kıyasla büyük bir gelişme. En önemlisi, hiçbir düğümün güvenilir olması gerekmiyor, ancak herhangi bir çift, mesajları kodlamak ve çözmek için kullanılabilen kırılmaz bir kuantum anahtarı oluşturmak için güvenli bir bağlantı kurabilir.
İLAN
Gelecekteki büyük ölçekli kuantum ağlarının en az iki ana sorunu çözmesi gerekecek: Birincisi, keyfi olarak çok sayıda kullanıcıyı birbirine bağlamaları gerektiğidir . İkinci olarak, bu tür ağlar, kıtalar arası ve kıtalar arası geniş mesafeleri kapsamalıdır – bu, kuantum durumlarını veya uyduları , kübitleri veya dolaşık parçacıkları yerdeki düğümlere ışınlamak için dağıtabileceği aralığı genişletmek için kuantum tekrarlayıcıların kullanılmasını gerektiren bir şey .
Yeni çalışmaya dahil olmayan Hollanda’daki Delft Teknoloji Üniversitesi’nden Ronald Hanson , QKD’nin “sınırlı QKD aralığında tekrarlayıcılar olmadan çok daha fazla kullanıcıya ulaşmasını” sağladığını kabul ediyor.
Joshi’nin ekibi, çalışmalarının henüz küçük bir şehrin genişliğinden daha büyük mesafeler sorununu çözmediğini kabul ediyor. Menzili artırmak için araştırmacılar, merkezi dolaşık foton kaynaklarını taşımak için uyduları kullanmayı düşünüyorlar. Joshi, “Böyle bir kaynak alanını uyumlu hale getirmek için çalışıyoruz” diyor. “Yeterince sağlam yapmalıyız.”