Wetenschappers versnellen quantum-uitwisseling van encryptiesleutels aanzienlijk

Onderzoekers van verschillende universiteiten hebben een methode ontwikkeld waarmee encryptiesleutels bij 'quantumencryptie' sneller uit te wisselen zijn. De benodigde onderdelen zouden commercieel te verkrijgen zijn.

Met het onderzoek willen de auteurs van de bijbehorende paper het probleem aanpakken dat het genereren van sleutels bij quantumencryptie, of beter gezegd quantum key distribution, lang duurt in vergelijking met bestaande communicatiesystemen. Een van de onderzoekers, Nurul Taimur Islam, zegt dat het genereren van de sleutels nu met een maximale snelheid van enkele honderden kilobits per seconde mogelijk is, wat onvoldoende zou zijn voor de ondersteuning van tal van taken, zoals versleutelde gesprekken en videostreaming. De nieuwe methode versnelt het genereren van een encryptiesleutel door twee bit per foton te versturen, waar dit tot nu toe met één bit tegelijk gebeurde.

Met deze methode claimen de onderzoekers snelheden van enkele megabits per seconde te kunnen behalen, waardoor uiteindelijk een snelheidswinst van een factor 5 tot 10 kan worden gerealiseerd. Ze hebben dit getest over een afstand tussen de 20 en 80km. Om de fotonen uit te zenden, maakten de onderzoekers gebruik van een fpga. Deze vereist speciaal ontwikkelde onderdelen, maar alle componenten voor een compleet systeem zijn volgen de wetenschappers commercieel te verkrijgen.

De basis van quantumcommunicatie berust op het versturen van enkele fotonen, waarvan een willekeurig gekozen polarisatie de quantumstaat representeert, en het ontvangen met een filter. Na het sturen van een groot aantal fotonen, maakt de ontvanger de filteroriëntaties bekend, waarna ze overeenstemming bereiken over de reeks nullen en enen die gedetecteerd zijn, en waar de sleutel dan uit opgebouwd is. De beveiliging berust erin dat een foton niet onderschept kan worden zonder de staat te manipuleren. Daardoor is een sleutel wel door een actieve aanvaller te achterhalen, maar weten de communicerende partijen dat dit gebeurt.

Er vinden meer proeven plaats met sleuteldistributie op quantumniveau. Zo werken onder meer Chinese onderzoekers aan een quantumnetwerk waarbij ze gebruikmaken van een satelliet om grote afstanden te overbruggen.

Reacties (22)

[bn326160]

Mogelijks wat off-topic, maar ik vond dit een erg interessant filmpje: https://www.youtube.com/watch?v=6H_9l9N3IXU
Hier wordt op eenvoudige wijze Quantum key distribution uitgelegd en op welke manier dit anders werkt dan asymmetrische encryptie.

[Noxious]

Ik kan deze ook aanraden: https://youtu.be/jHAXme8bPR0 - van SHA2017.

[bartovitc]

Klinkt leuk, maar kan iemand mij uitleggen wat het verschil is tussen quantumencryptie en "normale" encryptie (behalve dat uitlezen de "staat" van de informatie veranderd)?

[.oisyn]

Je moet het meer zien als quantum key distribution. Het gaat niet zozeer om encryptie zelf, maar de manier om sleutels uit te wisselen. In plaats van een sleutel te versturen over een conventionele cryptografische verbinding, wordt hij verstuurd middels een kwantumverbinding. Door de aard van verstrengeling, kunnen beide partijen erachter komen dat er wordt afgeluisterd tijdens het versturen van de sleutel (en dus nog voordat er überhaupt geëncrypte data is verstuurd).

Het werkt bijvoorbeeld als volgt. Alice, die een sleuel wil delen met Bob, genereert verstrengelde foton-paren met dezelfde polariteit (of tegengestelde polarieit, maar dan moet Bob al zijn metingen even omdraaien). Alice weet niet wat de polariteit van de fotonen is, maar door een van de verstrengelde fotonen te meten weet ze ook wat de polariteit van de andere is. Het "probleem" (eigenlijk een uitkomst in dit geval) is dat je polariteit niet direct kunt meten. Het enige wat je kunt doen is de foton door een polarisatiefilter laten gaan. Een horizontaal gepolariseerde foton zal niet door een verticaal polarisatiefilter gaan. Een diagonaal gepolariseerde foton heeft 50% kans om door een verticaal of horizontaal filter te gaan - maar áls hij er door gaat, dan gaat de verstrengelde foton er ook door. Je kan vervolgens definieren dat een foton die erdoor gaat een binaire 1 representeert, en een die wordt tegengehouden een 0.

Alice kiest voor elke foton opnieuw de stand van haar filter. Ze beperkt zich hierbij bijvoorbeeld tussen horizontaal en diagonaal. Vervolgens meet ze of de foton er doorheen ging of niet. De verstengelde fotonen stuurt ze naar Bob. Bob doet vervolgens precies hetzelfde. Ook hij meet zijn fotonen met een voor elke foton willekeurig gekozen filter, en noteert zijn meetresultaten alsmede het gekozen filter voor elke foton.

Dan bellen Alice en Bob elkaar op. Alice noemt vervolgens op welke filters zij allemaal heeft gebruikt, en Bob vertelt per filter of die hetzelfde was als zijn gekozen filter. Als ze verschillende filters voor een verstrengelde foton hebben gekozen, dan gooien ze die meetresultaten weg. Voor de fotonen waarbij ze hezelfde filter hebben gekozen, hebben ze als het goed is dezelfde meting gedaan. Om te controleren of ze niet zijn afgeluisterd, communiceren ze een steekproef van de metingen met elkaar. Wijkt die teveel af (in een perfecte wereld al bij 1 verkeerde meting, maar in de praktijk is dat heel moeilijk om te behalen), dan kunnen ze concluderen dat ze zijn afgeluisterd. De rest van de gemeten bits vormt hun sleutel.

[Reactie gewijzigd door .oisyn op 29 juli 2024 05:00]

[koelpasta]

Was het niet zo dat er een tijdje terug een methode werd gedemonstreerd waarmee alsnog ongemerkt de sleutel kon worden afgeluisterd?

[Reactie gewijzigd door koelpasta op 29 juli 2024 05:00]

[.oisyn]

Ik weet niet precies waarnaar je verwijst, maar het probleem zit hem vooral in de onnauwkeurigheid van het geheel in de praktijk. Zie ook de laatste alinea in mijn vorige post (die ik erbij heb geedit nadat je je reactie plaatste). Er zit momenteel nog zoveel ruis in, dat het lastig is om te concluderen of er idd afgeluisterd is of niet. Bij mijn weten is er niet iets specifieks ontdekt waardoor de techniek fundamenteel onbruikbaar is geworden.

[procyon]

Was entanglement niet gewoon het fenomeen dat twee atomen verbonden worden en precies elkaars tegenovergestelde spin hebben. Als ik dat juist onthouden heb, dan kunnen we het zo'n "paar" toch per definitie veilige communicatie opzetten?

Voor elke spin verandering (zeg 1 bit) zal exact hetzelfde maar dan tegenovergesteld gebeuren met het andere atoom (waar dat ook is). Ik zie niet hoe dit afgeluisterd kan worden en zou dus niet eens encryptie nodig hebben (en FTL communicatie mogelijk maken)

Dank voor je reactie.

[.oisyn]

Exact, ze hebben tegenovergestelde (of gelijke, dat kan ook) spin op het moment dat je ze maakt. Maar je kunt de spin achteraf niet wijzigen op zo'n manier dat het andere deeltje ook gewijzigd wordt.

[procyon]

Aah daar ging ik de mist in, duidelijk dank

[koelpasta]

Ik weet het ook niet meer specifiek, maar had dacht ik te maken met het 'zachthandig' omgaan met die photonen waardoor de verstrengeling niet breekt maar je alsnog wat info kunt extraheren.

[CAPSLOCK2000]

Was het niet zo dat er een tijdje terug een methode werd gedemonstreerd waarmee alsnog ongemerkt de sleutel kon worden afluisteren?

Er wordt wel aan getornd. Intuitief uitgelegd is het idee is dat je geen volledige meting doet, maar slechts "een klein beetje" meet. Dan verander je de state maar een klein beetje. Als je veel kleine metingen doet kun je uiteindelijk toch informatie verzamelen, als ik de theorie goed heb begrepen. Omdat de systemen vol ruis en onzekerheid zitten is een kleine verandering niet zo'n probleem, je moet toch al rekening houden met fout. Ik ben geen expert.

[ard1998]

het verschil is waneeer de encryptie op een "reguliere" processor uitgevoerd word of op een quantumprocessor

[Verwijderd]

Quantum cryptography heeft vrijwel niets te maken met quantum computation.

[Yamotek]

Het antwoord geef jij zelf al, doordat het te zien is of een sleutel uitgelezen is of niet (doordat informatie 'corrupt' raakt door het te lezen) is het te zien of de communicatie veilig is of niet omdat je zeker weet dat niemand anders de sleutel in handen heeft.

Bij normale informatie overdracht is het niet na te gaan of jij de eerste bent die de informatie leest, zie het als een stempel op een brief die niet te vervalsen is. Zodra de stempel gewijzigd is weet jij dat de informatie gelezen kan zijn.

[Theherm]

Dat raakt de integriteit van het bericht. Daarmee zou quantum encryptie niet effectief zijn voor verkeer wat niet door derden mag worden gelezen...

[CAPSLOCK2000]

Dat raakt de integriteit van het bericht. Daarmee zou quantum encryptie niet effectief zijn voor verkeer wat niet door derden mag worden gelezen...

We hebben het hier niet over quantum encryptie, maar over quantum key distribution. Dat is wat anders.
Dat is het verschil tussen het slot op je voordeur en de sleutelhanger waar je sleutel aan vast zit.
Het handig daarbij is dat fouten niet erg zijn, zolang je aan beide kanten maar dezelfde "fout" maakt. Het enige doel is om een rijtje enen en nullen te produceren. Of een bepaalde bit 1 of 0 is maakt niet uit, zolang beide partijen maar dezelfde bit meten.
De encryptie wordt gedaan met traditionele middelen. Alleen het aanmaken/distriburen van de sleutel (dat is bij deze techniek hetzelfde) maakt gebruik van quantum.

[Standeman]

Wanneer je bij normale encryptie een sleutel uitwisselt, weet je niet of iemand die sleutel afluistert en dus stiekem je stream kan ontsleutelen.
Kwantumencryptie heeft de eigenschap dat wanneer iemand de sleutel afluistert, dit direct door ontvangende partij gezien wordt en de encryptiesleutel gelijk afgeschreven kan worden. Op die manier weet je zeker dat niemand meeluistert. Dit helpt uiteraard niet tegen bruteforcen van de sleutel. Maar met genoeg bits is dit vrijwel onmogelijk binnen een realistische tijdsspanne (dit geld overigens ook voor normale encryptie).

[Reactie gewijzigd door Standeman op 29 juli 2024 05:00]

[CAPSLOCK2000]

Quantum kun je niet ongemerkt afluisteren want als je het toch probeert dan verandert de informatie en dat valt op.

Strict genomen gaat het hier niet over de encryptie, maar over het uitwisselen van sleutels, of, in leken termen, het doorgeven van het wachtwoord. Het is wel fijn als dat wachtwoord niet afgeluisterd kan worden.

Als je meer wil weten moet je even de link uit het artikel volgen naar het wikipedia artikel over quantum key distribution.

[Reactie gewijzigd door CAPSLOCK2000 op 29 juli 2024 05:00]

[ImaPseudonym]

Misschien begrijp ik het verkeerd, maar dit soort communicatie lijkt me slechts een zeer beperkte toepassing hebben. Het uitsluiten van afluistering berust erop dat niemand anders dan de ontvanger de staat van een foton af mag lezen, doet ie dat wel: dan verandert daarmee ook de staat van het foton en die verandering kun je meten (en dan weet je je dat je afgeluisterd wordt).
Daarmee lijkt me ook dat de toepassing beperkt is tussen twee computers die rechtstreeks met een glasvezelkabel verbonden zijn. Want zodra je een repeater nodig hebt, of je via een paar nodes moet om aan de andere kant van de wereld te komen zal je foton meerdere malen gemeten en opnieuw uitgezonden moeten worden.
Nog los van het feit dat je foton daar gemeten en opnieuw uitgezonden moet worden (met behoud van polarisatie/kwantumstaat?) Kun je toch nooit meer zeker weten dat je 'in' die node/repeater niet afgeluisterd wordt?

[TimTurbo2]

Misschien begrijp ik het verkeerd, maar dit soort communicatie lijkt me slechts een zeer beperkte toepassing hebben. Het uitsluiten van afluistering berust erop dat niemand anders dan de ontvanger de staat van een foton af mag lezen, doet ie dat wel: dan verandert daarmee ook de staat van het foton en die verandering kun je meten (en dan weet je je dat je afgeluisterd wordt).
Daarmee lijkt me ook dat de toepassing beperkt is tussen twee computers die rechtstreeks met een glasvezelkabel verbonden zijn. Want zodra je een repeater nodig hebt, of je via een paar nodes moet om aan de andere kant van de wereld te komen zal je foton meerdere malen gemeten en opnieuw uitgezonden moeten worden.

nee dit is niet vereist, in theorie zou je een "repeater" kunnen maken die op basis van timing een directe connectie maakt tussen 2 computers waar de photon door heen kan gaan zonder ook maar 1 keer te geobserveerd te worden, het enige waar je dan voor moet zorgen is dat die photon wel de andere kan van de wereld bereikt qua lifespan.

Nog los van het feit dat je foton daar gemeten en opnieuw uitgezonden moet worden (met behoud van polarisatie/kwantumstaat?) Kun je toch nooit meer zeker weten dat je 'in' die node/repeater niet afgeluisterd wordt?

ja toch wel, volgen de quantum no clone theorem is het 100% onmogelijk om een deeltje in een superpositie te clonen dus al zou iemand proberen je af te luisteren dan zou de ontvangende partij dus niks ontvangen waarna hij een request voor een nieuwe key kan doen

[.oisyn]

De kwantumstaat kan idd niet gekopiëerd worden, maar wel verplaatst! Dat is de basis van kwantumteleportatie: het overbrengen van de kwantumstaat van een deeltje op een ander deeltje. Een switch zou hier in theorie gebruik van kunnen maken. Al ontgaat het nut me dan een beetje, want net zo "makkelijk" kan de swich de foton ook gewoon vangen. Al is dat met electronen wel makkelijker, dus wellicht dat het overbrengen van de kwantumstaat van de foton op een electron nuttig kan zijn, zodat de electron even vastgehouden kan worden voor de kwantumstaat uiteindelijk weer als foton over de kabel gaat.

[darkfader]

Volgens het artikel gebruiken ze zowel een faseverschuiving en snellere detectoren om het sneller te maken.