Sunday, 9 August 2009

Νέες τεχνολογίες βελτιώνουν την κβαντική κρυπτογράφηση

Μια ομάδα επιστημόνων των εργαστηρίων στο Los Alamos, σε συνεργασία με ερευνητές από το Εθνικό Ίδρυμα Προτύπων και Τεχνολογίας και το Κολέγιο Albion, πέτυχε την διανομή κβαντικού κλειδιού (QKD) σε μήκος κύματος 1.550 nm μέσω μιας οπτικής ίνας μήκους 50 χιλιομέτρων. Η εργασία αυτή θα μπορούσε να επιταχύνει την ανάπτυξη QKD για ασφαλείς επικοινωνίες στις οπτικές ίνες σε αποστάσεις πέρα από τα σημερινά τεχνολογικά όρια.

Στην έρευνα που δημοσιεύθηκε στο Applied Physics Letters, η ομάδα περιγράφει τη χρήση των νέων υπεραγωγικών αισθητήρων (TES) για να διανείμει το κρυπτογραφικό κλειδί σε μήκη κύματος 1.550 nm μέσω μιας οπτικής ίνας 50 χιλιομέτρων. Οι TES θα μπορούσαν να αυξήσουν το εύρος και την απόδοση πέρα από τα σημερινά επίπεδα ανίχνευσης των φωτονίων στην QKD. Αντίθετα από τις ευαίσθητες φωτοδιόδους ενός φωτονίου (APD) που χρησιμοποιούνται σήμερα στα συστήματα οπτικών ινών στα συστήματα QKD, οι αισθητήρες TES ανιχνεύουν τα φωτόνια μετρώντας μικρές αυξήσεις της θερμοκρασίας σε ένα υπεραγωγικό υλικό που προκαλείται από την απορρόφηση των μεμονωμένων φωτονίων.

Η κβαντικός φυσικός Danna Rosenberg του Los Alamos λέει ότι οι TES δίνουν σημαντικά υψηλότερες αποδοτικότητες ανίχνευσης ενός μόνου φωτονίου και χαμηλότερους ρυθμούς σκοτεινής αρίθμησης από τις προηγούμενες φωτοδιόδους APD. Η υψηλή αποδοτικότητα και η χαμηλή πιθανότητα σκοτεινών αριθμήσεων, που συνδέονται με το σχετικά σύντομο χρόνο αποκατάστασης των νέων αισθητήρων TES, θα επιτρέψουν υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης μυστικών κλειδιών σε ακόμα μεγαλύτερες αποστάσεις από τα σημερινά συστήματα τα βασισμένα στις παλαιές φωτοδιόδους APD."

Εκτός από την υιοθέτηση των TES, η ομάδα πειραματίστηκε με φωτεινό οπτικό παλμό και ηλεκτρικούς μηχανισμούς συγχρονισμού σημάτων. Μια μέθοδος του συγχρονισμού περιλάμβανε την αποστολή ενός φωτεινού παλμού 1.310 nm αμέσως πριν σταλεί ένας παλμός 1.550 nm. Χρησιμοποιήθηκε ένας φωτεινός παλμός για να μειώσει τα λάθη της μετάδοσης που μπορεί να εμφανιστούν λόγω της αλλαγής στο μήκος ή τις οπτικές ιδιότητες της ίνας σύνδεσης. Χρησιμοποιήθηκε δε ένας μηχανισμός συγχρονισμού με ένα ατομικό ρολόι ρουβιδίου για να συγχρονίσει τους αποστολείς και τους δέκτες πληροφοριών.

Όταν χρησιμοποιούνται με ηλεκτρικούς μηχανισμούς συγχρονισμού, οι νέοι αισθητήρες TES έχουν τη δυνατότητα να αυξήσουν τις αποστάσεις για τις οποίες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν οι οπτικές ίνες στην διανομή κβαντικού κλειδιού. Αν χρησιμοποιήσουμε το τρέχον σύστημα, οι μέγιστες αποστάσεις μετάδοσης για στοιχεία με φωτεινό παλμό και ηλεκτρικό συγχρονισμό είναι 83 χιλιόμετρα και 138 χιλιόμετρα, αντίστοιχα. Πιο περίπλοκες μέθοδοι με φιλτράρισμα φωτονίων από ό,τι χρησιμοποίησαν οι πειραματιστές, κάποια μέρα μπορεί να επιτρέψουν στους χρήστες να στείλουν κβαντικά κλειδιά ασφαλώς σε αποστάσεις παραπάνω από 270 χιλιόμετρα, έναντι του σημερινού των 122 χιλιομέτρων.

Επί του παρόντος, η κβαντική κρυπτογραφία χρησιμοποιείται σε γεωγραφικώς περιορισμένα δίκτυα. Το βασικό πλεονέκτημα της τεχνικής — ότι όποιος υποκλέπτει τη μετάδοση ενός κλειδιού το μεταβάλλει ταυτόχρονα κατά μη αναστρέψιμο τρόπο — σημαίνει επίσης ότι το σήμα που μεταφέρει κβαντικά κλειδιά δεν μπορεί να ενισχυθεί από τον εξοπλισμό του δικτύου που αντισταθμίζει την εξασθένηση του σήματος και του επιτρέπει να φτάσει μέχρι τον επόμενο επαναλήπτη. Ένας οπτικός ενισχυτής θα αλλοίωνε τα q-μπιτ.

Προκειμένου να μεγαλώσουν την εμβέλεια αυτών των ζεύξεων, οι ερευνητές αναζητούν μέσα διάδοσης για τη διανομή των κβαντικών κλειδιών ικανοποιητικότερα από τις οπτικές ίνες. Οι επιστήμονες ανέβηκαν σε βουνοκορφές — όπου το υψόμετρο ελαχιστοποιεί τις ατμοσφαιρικές αναταράξεις — για να αποδείξουν ότι η αποστολή φωτονίων διαμέσου του αέρα αποτελεί εφαρμόσιμη λύση. Ένα τέτοιο πείραμα που έγινε το 2002 στο Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος δημιούργησε μια ζεύξη μήκους 10 χιλιομέτρων. Και ένα άλλο, το οποίο πραγματοποιήθηκε τον ίδιο χρόνο από την Βρετανική QinetiQ και το Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilian του Μονάχου έζευξε με επιτυχία δύο βουνοκορφές στις νότιες Άλπεις που απείχαν 23 χιλιόμετρα.

Με τη βελτίωση της τεχνολογίας αυτής — με τη χρησιμοποίηση μεγαλύτερων τηλεσκοπίων για ανίχνευση, καλύτερων φίλτρων και αντανακλαστικών επικαλύψεων — πιθανώς να καταστεί δυνατόν να κατασκευαστεί ένα σύστημα ικανό να εκπέμπει και να λαμβάνει σήματα σε αποστάσεις μεγαλύτερες των 1.000 χιλιομέτρων. Τέτοια εμβέλεια επαρκεί για να επιτευχθεί η επικοινωνία με δορυφόρους που περιφέρονται γύρω από τη Γη σε χαμηλή τροχιά. Ένα δίκτυο από τέτοιους δορυφόρους θα επέτρεπε την επικοινωνία σε παγκόσμιο επίπεδο.

Η Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος βρίσκεται στα αρχικά στάδια της εκπόνησης ενός σχεδίου για την επίτευξη πειραματικής επικοινωνίας μεταξύ εδάφους και δορυφόρου. Επίσης, η Ευρωπαϊκή Ένωση ξεκίνησε τον Απρίλιο του 2004 μια προσπάθεια για να αναπτύξει την κβαντική κρυπτογράφηση σε δίκτυα επικοινωνιών, προσπάθεια στην οποία εν μέρει παρακίνησε η επιθυμία να αντιμετωπιστεί η κατασκοπευτική δραστηριότητα του Echelon, ενός συστήματος που υποκλέπτει ηλεκτρονικά μηνύματα για λογαριασμό των υπηρεσιών πληροφοριών των ΗΠΑ, της Βρετανίας και άλλων κρατών.

Πριν λίγα χρόνια η id Quantique και μια συνεργαζόμενη εταιρεία, ο παροχέας υπηρεσιών πληροφοριών Deckpoint που εδρεύει στη Γενεύη, παρουσίασαν ένα δίκτυο το οποίο επέτρεπε σε μια συστοιχία διακομιστών στη Γενεύη να αποθηκεύει τα αντίγραφα ασφαλείας της σε απόσταση 10 χιλιομέτρων, με τα νέα κλειδιά να διανέμονται μέσω μιας ζεύξης προστατευμένης με αλγορίθμους κβαντικής κρυπτογραφίας.

Η κβαντική κρυπτογραφία δεν αποκλείεται να αποδειχτεί ευάλωτη σε ορισμένες ανορθόδοξες μορφές προσβολής. Ο υποκλοπέας θα μπορούσε, για παράδειγμα, να σαμποτάρει τους ανιχνευτές του αποδέκτη έτσι ώστε τα ληφθέντα q-μπιτ να διαρρεύσουν στην οπτική ίνα δια της οποίας μεταδόθηκαν και να υποκλαπούν. Και φυσικά, η υποκλοπή με βοήθεια εκ των έσω θα αποδεικνύεται πάντα αναπότρεπτη.

«Η προδοσία είναι η κύρια μέθοδος» παρατηρεί ο Seth Lloyd, ειδικός στον τομέα της κβαντικής πληροφορικής του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης. «Η κβαντική μηχανική δεν μπορεί να κάνει απολύτως τίποτα σε αυτή την περίπτωση». Παρά ταύτα, στην ανατέλλουσα εποχή της κβαντικής πληροφορίας, τούτοι οι νέοι τρόποι για την τήρηση των μυστικών φαίνεται πως θα αποδειχτούν καλύτεροι από οτιδήποτε άλλο μπορεί να βρει κανείς στα βιβλία κρυπτογραφίας.
Physics4u

No comments: