Foto: Shutterstock

Ny metode effektiviserer kvantekryptering

mandag 24 sep 18

Kontakt

Leif Katsuo Oxenløwe
Professor, Gruppeleder
DTU Fotonik
45 25 37 84

Om SPOC

Grundforskningscenteret Silicon Photonics for Optical Communications (SPOC) udvikler det videnskabelige grundlag inden for datatransmission, hvor der stræbes efter den ultimative datakapacitet. Målet er at reducere internettets massive energiforbrug.


Centeret udvikler bl.a. nye lyskilder til ultra-bredbåndede superkanaler og til sikker kommunikation. Silicium er centralt i denne forskning, idet silicium bruges til at lave optiske chips, der kan skabe særligt rumligt fordelt lys og lave ultrahurtig signalbehandling og udsende ultra-bredbåndet lys og enkeltfotoner. 


www.spoc.dtu.dk

Verdensmestrene i hurtig datatransmission bruger deres viden og avancerede udstyr fra rekordforsøg til at udvikle en mere effektiv kvantekryptering. 

Det meste af den kryptering, som i dag sikrer de informationer, vi sender over internettet, bliver usikker, når kvantecomputeren er en realitet. Med sin (forventede) uhyrlige regnekraft vil kvantecomputeren på kort tid kunne knække de matematiske algoritmer, der i dag anvendes til at generere de dekrypteringsnøgler, der bruges til at afkode de krypterede informationer. Modsvaret på denne udfordring er kvantekryptering.

Med kvantekryptering dannes dekrypteringsnøglen ud fra kvantemekaniske principper, der er garant for fuldstændig tilfældighed, når nøglen skal skabes, hvilket gør den umulig at genskabe for andre.

Delingen af kvantekrypteringsnøglen mellem afsender og modtager (fra A til B, ofte kaldet Alice og Bob) omtales som QKD (quantum key distribution). I QKD bruges enkelte lyspartikler – fotoner – til at bære krypteringsnøglen. Når man bruger enkeltfotoner, er det ikke muligt for uvedkommende at opsnappe nøglen, da det hurtigt opdages, at der mangler fotoner, og transmissionen kan standes.

I QKD udnyttes lysets kvantemekaniske egenskaber. En af egenskaberne er, at det er muligt for en enkelt foton at være flere steder på samme tid. Det udnytter forskerne på grundforskningscenteret SPOC (Silicon Photonics for Optical Communications) ved DTU Fotonik til at sende mere information pr. foton. Det vil sige, at i stedet for at en enkelt foton kun bærer en enkelt bit (et ettal eller et nul), kan den bære flere bits.

Fra rekorder til kvantekryptering

Kommunikationseffektivitet i form af at sende mere information pr. foton er hjemmebane for SPOC-centeret. I flere omgange har forskergruppen sat verdensrekorder i overførsel af data – f.eks. i 2014, hvor det lykkedes at sende 43 terabit pr. sekund (Tbit/s) gennem en optisk fiber, og igen i 2016, hvor dette blev udvidet til 661 Tbit/s. Rekorden kunne bl.a. lade sig gøre, fordi forskerne benyttede optiske fibre (glastråde) med flere kerner, som lyset kan løbe i – også kaldet en multikernefiber.

I 2015 spekulerede forskergruppen på, om de kunne udnytte deres viden og det avancerede teknologiske udstyr fra deres rekord-dataoverførsler til kvantekrypteringsområdet.

”Vi kunne konstatere, at den gængse måde at lave QKD på svarer til den måde, vi udnyttede fotoner til dataoverførsel på for mange år siden, hvor én foton kun repræsenterer én bit. Derfor blev vi nysgerrige på, om vi kunne overføre vores nyere metoder fra datatransmissionen til kvantekrypteringsområdet,” siger Leif Katsuo Oxenløwe, hvis grundforskningscenter derfor gik i gang med at eksperimentere med at bruge optiske fibre med flere kerner (multikernefibre) til at lave kvantekrypteringsnøgler.

Udnytter optiske multikernefibre

Ved at sende fotonen ind i en multikernefiber kan man udnytte en rumlig dimension, der opstår, fordi der er flere veje gennem fiberen. I SPOC’s første eksperiment udnyttede forskerne fire kerner i en optisk multikernefiber, forklarer fotonik-professoren:

”Når vi bruger fire kerner, har fotonen potentielt fire veje gennem fiberen. Ved at udnytte at fotonen kan være op til fire forskellige steder på samme tid, kan vi øge information pr. foton. I dette første eksperiment har vi vist, at vi kan styre, hvilke kerner fotonen skal benytte, og vi kan endda få den til at vælge flere kerner på samme tid,” siger Leif Katsuo Oxenløwe.

Eksperimentet viser, at SPOC-forskerne med den nye metode kan fordoble bitraten på en kvantekrypteringsnøgle, og i 2017 publicerede forskergruppen dette første resultat i Natures online partnerjournal ’npj Quantum Information’.

Mere detaljeret og længere nøgle

Fordelen ved en kvantekrypteringsnøgle med højere bitrate er, at nøglen bliver ’længere’. En nøgle skal bl.a. være lige så lang (have lige så mange bit) som den information, man ønsker at kryptere, for at garantere absolut ubrydelighed. SPOC’s løsning er således et vigtigt skridt i retning af at skabe absolut sikre nøgler, der passer med de meget høje bitrater, der sendes rundt på internettet i dag. Forskergruppen eksperimenterer i øjeblikket med at udnytte optiske fibre med endnu flere kerner for at opnå endnu højere bitrater på kvantekrypteringsnøglerne.