Distribuția cuantică independentă de dispozitiv a cheilor (device-independent quantum key distribution, DIQKD) permite generarea de chei secrete pe un canal cu risc malițios, utilizând dispozitive necaracterizate, cu potențial de risc. Funcționarea corectă și sigură a respectivelor dispozitive poate fi certificată printr-un test statistic care utilizează o inegalitate Bell, care se bazează pe principiile fundamentale ale fizicii cuantice. Totuși, realizarea DIQKD este extrem de dificilă, în principal din cauza faptului că apar deficiențe când vine vorba de a stabili precis stările de calitate a două locații aflate la distanțe mari una de cealaltă. Comunicarea securizată folosind rețele publice necesită ca utilizatorii să partajeze o cheie secretă comună. În prezent, această scenariu se confruntă cu provocări majore din cauza atacurilor de tip cuantic și a ceea ce poartă numele de „vulnerabilități de implementare”. O soluție promițătoare este utilizarea distribuției cuantice a cheilor (QKD), care se folosește de legile fizicii cuantice pentru a evalua încercările de hacking care ar putea avea loc în urma folosirii unei rețele publice. De asemenea, securitatea QKD se bazează pe modele matematice ale dispozitivelor, astfel încât este absolut esențial ca dispozitivele cuantice să se comporte întocmai cum a fost documentat de către o echipă de cercetători într-un studiu recent. Așadar, criptografia cuantică este definită ca fiind știința care utilizează principiile mecanicii cuantice în scopuri criptografice.
Distribuția cuantică a cheilor (QKD) este depășită de DIQKD
Cu toții știm că internetul este plin de date extrem de sensibile. În mod obișnuit, tehnicile care asigură criptarea datelor garantează faptul că acestea nu pot fi interceptate și citite. Însă, în ultimul timp, progresele în domeniul tehnologiei au dus la dezvoltarea calculatoarelor cuantice, de înaltă performanță, care ar putea sparge aceste chei în doar câteva secunde. Prin urmare, abordările mecanicii cuantice nu oferă doar algoritmi noi, mult mai rapizi de utilizare, ci și posibilitatea de criptografiere mult mai rapidă și mult mai eficientă. Astfel, a apărut QKD, sau „distribuția cuantică a cheilor” care este sigură împotriva atacurilor asupra canalelor folosite pentru comunicare, dar nu și împotriva atacurilor sau manipulării dispozitivelor în sine. Drept urmare, dispozitivele pot emite o cheie pe care producătorul a păstrat-o anterior și pe care ar fi putut-o transmite unui hacker. Cu QKD independentă de dispozitiv (DIQKD), lucrurile stau puțin mai diferit: protocolul criptografic nu este afectat de dispozitiv.
Această tehnologie este cunoscută, cel puțin teoretic, de mai bine de treizeci de ani, însă abia acum a reușit să fie implementată experimental de către o echipă internațională de cercetare la conducerea căreia s-a aflat fizicianul Harald Weinfurter și Charles Lim. Există multe metode pentru schimbul de chei mecanice cuantice. Transmițătorul trimite semnale luminoase către receptor sau se folosesc „sisteme cuantice încâlcite” (entangled quantum systems). În cadrul experimentului întreprins, cercetătorii au folosit doi atomi de rubidiu plasați în două laboratoare aflate la distanțe de 400 de metri unul de celălalt, cele două clădiri fiind legate de un cablu de 700 de metri lungime. Pentru a crea „o încâlcire”, cercetătorii au stimulat fiecare atom cu un impuls laser, iar când aceștia revin la starea fundamentală, emit un foton. Spinul atomului este încurcat cu polarizarea fotonului emis (datorită conservării momentului unghiular), iar cele două particule de fotoni călătoresc prin cablul de fibră optică, până la o stație de recepție unde o măsurare combinată a fotonilor a certificat încurcarea memoriei cuantice atomice.
Pentru a putea face schimb de chei, Alice și Bob (așa sunt denumite, de obicei, de criptografi cele două părți ale sistemului) măsoară stările cuantice ale atomilor respectivi. În fiecare caz, acest lucru se fac în mod aleatoriu, în două sau patru direcții. Dacă direcțiile corespund, este cert faptul că rezultatele măsurătorilor sunt identice din cauza încâlcirii și pot fi folosite pentru a genera o cheie secretă. Cu celelalte rezultate ale măsurătorilor, cercetătorii pot evalua, după cum am spus, inegalitatea Bell. John Stewart Bell a dezvoltat inițial aceste inegalități pentru a testa dacă natura poate fi descrisă cu ajutorul variabilelor ascunse. „S-a dovedit că nu se poate”, a adăugat Winfurter. În DIQKD, testul este folosit „în mod special pentru a se asigura faptul că nu există manipulări la nivelul dispozitivelor – adică, de exemplu, că rezultatele a ceea ce am măsurat nu au fost salvate, în prealabil, în dispozitive”, a mai explicat el.
Spre deosebire de abordările anterioare, protocolul implementat, care a fost dezvoltat de către cercetători de la Universitatea Națională din Singapore, utilizează două setări de măsurare (în loc de una singură) pentru generarea cheii. „Prin introducerea setării suplimentare care să poată genera cheile, devine mult mai dificilă interceptarea informațiilor și, prin urmare, protocolul poate tolera mai mult zgomot și poate genera chei secrete chiar și pentru stări încurcate care au calitate inferioară”, spune Charles Lim. În cazul metodelor QKD convenționale, securitatea se manifestă doar atunci când dispozitivele cuantice utilizate au fost caracterizate complet. „Și astfel, utilizatorii unor astfel de protocoale trebuie să se bazeze pe specificațiile oferite de către furnizorii de QKD și să aibă încredere că dispozitivul lor nu va începe să funcționeze altfel în timpul distribuirii cheilor”, explică Tim van Leent, unul dintre autorii principali ai lucrării. „Se știe de cel puțin zece ani faptul că dispozitivele QKD mai vechi sunt relativ ușor de piratat din exterior”, a mai adăugat el.
Bazele viitoarelor rețele cuantice
„Cu ajutorul metodei noastre, acum putem genera chei secrete cu dispozitive necaracterizate și potențial suspect”, explică Weinfurter. De fapt, inițial, acesta chiar a avut îndoieli privitoare la succesul și funcționarea experimentului. Însă echipa sa a dovedit că îndoielile sale nu erau prea fondate, dar totuși au reușit să îmbunătățească foarte mult experimentul. În paralel cu proiectul acesta, un alt grup de cercetare de la Universitatea din Oxford a reușit să demonstreze același principiu – distribuția de chei independentă de dispozitiv (DIQKD). Pentru a face acest lucru posibil, cercetătorii au folosit un sistem format din ioni încâlciți, dar în același laborator, nu în două laboratoare aflate la distanță. „Aceste două proiecte pun bazele viitoarelor rețele cuantice, în care este posibilă o comunicare foarte sigură, lipsită de riscuri, între locații aflate la distanțe foarte mari una de cealaltă”, spune Charles Lim.
Unul dintre următoarele obiective ale echipei de cercetători este de a extinde sistemul pentru a putea încorpora și mai multe perechi de atomi încâlciți (entangled atom pairs). „Acest lucru ar putea să ne permită să generăm mai multe stări de încurcare, ceea ce nu doar că ar crește foarte mult rata de transmitere a datelor, ci și securitatea cheilor, ceea ce este mult mai important și esențial”, spune van Leent. De asemenea, cercetătorii ar dori să mărească și raza de acțiune a acestor chei. Date fiind condițiile experimentale, aceasta a fost limitată de pierderea a jumătate din fotoni, de-a lungul fibrei optice dintre laboratoare. În alte experimente, cercetătorii au reușit să transforme lungimea de undă a fotonilor într-un spectru cu pierderi reduse, potrivit pentru serviciile de comunicații, spre exemplu. În acest fel, deși au făcut compromisuri într-o direcție, au reușit să mărească raza de acțiune a conexiunii rețelei cuantice la 33 de kilometri.
