Verdensrekord i Danmark: Første kvantesikre fiber­forbindelse

Man aner en viss nervøsitet og spenning i det tettpakkede laboratoriet, der alles øyne er festet på en svart skjerm.

Det er tirsdag midt på dagen, og vi er på DTU Electro i Lyngby, hvor kvanteforskere fra Danmarks tekniske universitet (DTU) og Københavns universitet (KU) om kort tid skal slå på den første kvantekrypterte kommunikasjonslinken over en enkeltfoton-lyskilde.

Videoforbindelsen skal sendes over en 18 kilometer lang, eksisterende fiberoptisk forbindelse mellom DTU og KU.

Noen sekunder senere dukker de første direkte bildene opp fra Niels Bohr-instituttet i København.

Anders Eldrup, som er styreleder i Innovasjonsfonden, er nå på DTU og kan starte sin samtale med Natasha Friis Saxberg, administrerende direktør i bransjeorganisasjonen IT-Branchen, som har plassert seg i Niels Bohr-instituttet.

Hele økten tar omtrent fem minutter.

– Vi har altså etablert danmarkshistoriens første kvantekrypterte og dermed helt sikre kommunikasjonsforbindelse mellom to forskjellige steder, sier Eldrup.

Samtalen dreier seg – naturlig nok – om kvantekryptering, og hele formålet med dagens demonstrasjon er å vise hvor langt det danske kvanteforskningsmiljøet faktisk har kommet i å levere praktisk og anvendelig kvantekryptering.

– Det er den første demonstrasjonen i hele verden der vi bruker en deterministisk enkeltfoton-kilde med passende kvalitet og stabilitet for nøkkelens bærende element. Fordelen med å bruke en enkelt lyspartikkel, er at den ikke kan deles uten at det er synlig for alle parter, forklarer Leif Katsuo Oxenløwe, som er professor og leder for grunnforskningssenteret SPOC ved DTU Electro.

Skal erstatte algoritmisk kryptering

Tradisjonell algoritmebasert kryptering er basert på beregningsmessig kompleksitet.

Jo mer kompleks algoritmen som genererer en nøkkel er, jo vanskeligere er den å bryte.

Men den typen krypteringsteknologi kan i fremtiden brytes med en kvantedatamaskin, og derfor er det i gang et kappløp for å utvikle nye krypteringsmetoder, og her er nytten av kvantekryptering åpenbar.

– Kvantekryptering kan beviselig motstå alle angrep, fordi ethvert forsøk på avlytting vil bli avslørt, sier Peter Lodahl, som er professor ved Niels Bohr-instituttet. Han er leder for prosjektet og for grunnforskningssenteret Hybrid Quantum Networks (Hy-Q).

Gamle krypteringsprinsipper kan nå realiseres

Ideene bak kvantekryptering er ikke nye.

Allerede på 1960-tallet stilte Claude Shannon opp fire prinsipper for krypteringsteknikken «one-time pad» (engangsnøkkel): Krypteringsnøkkelen skal være helt tilfeldig, må aldri gjenbrukes, må ikke kunne snappes opp av eksterne hackere, og nøkkelen må være minst like lang som selve meldingen.

– Det har vi ikke klart å gjennomføre i praksis før i dag, sier Leif Katsuo Oxenløwe.

Men fremskritt innen kvanteteknologi betyr at dette nå er mulig over en enkeltfoton-lyskilde i et fiberoptisk nettverk.

Krypteringsnøklene er kodet i fotonets polarisering, hvor det kan vende loddrett (1) eller vannrett (0), samt diagonalt i enten +45 grader (1) eller -45 grader (0).

De to partene i samtalen sammenligner deretter hvordan enkeltfotonet er modulert – for å sjekke om nøklene stemmer overens.

Selve enkeltfoton-kilden ble laget ved Niels Bohr-instituttet, mens kodingen ble utviklet ved DTU Electro.

Ved Niels Bohr-instituttet har professor Peter Lodahl lykkes med å «temme lyset» i en optisk brikke, som blant annet fryses ned til temperaturer nær det absolutte nullpunktet. Etter dette kan det sendes ut ett enkelt foton om gangen fra den optiske brikken.

I sommer lyktes forskere fra DTU Fysik med å overføre data ved hjelp av samme metode mellom to av Danske Banks datasentre – simulert på to datamaskiner.

Denne gangen er den kvantekrypterte forbindelsen gjennomført med en avstand på 18 kilometer.

Ethvert forsøk på å avlytte systemet vil kreve at man avskjærer et foton, som er udelelig. Derfor vil alle forsøk på avlytting bli oppdaget.

Etter noen minutters samtale viser Catarina Vigilar, postdoktor ved DTU Electro, hvordan forbindelsen lynraskt kuttes hvis linjen blir lyttet til.

Når modulariseringen av fotonet endres, øker feilraten på signalet, og deretter kobles koblingen automatisk fra.

Underveis er det et tap på 9,6 dB på grunn av støy. Hadde fiberen vært i et kontrollert laboratoriemiljø, kunne det blitt sendt over mye lengre strekninger.

Det finnes kommersielle løsninger som til forveksling ligner demonstrasjonen ved DTU. De kommersielle løsningene bruker imidlertid ikke ekte enkelt-foton-lyskilder, slik tilfellet er ved DTU/Niels Bohr. I stedet demper de lyspulsen i de optiske fibrene slik at de nærmer seg et enkeltfoton.

Imidlertid er det fortsatt en statistisk sannsynlighet for ikke å nå enkeltfotonnivået.

Samler nøkler sammen

Fordi signalet sendes over en alminnelig fiberforbindelse med et enkeltfoton, er den høyeste hastigheten for utveksling av nøkler 2,6 kilobit/s.

Selv om det i seg selv er verdensrekord for høyeste nøkkelrate med kvantedistribuerte nøkler, er det alene ikke nok til å etablere en stabil videoforbindelse. Derfor har forskere ved DTU og Niels Bohr-instituttet akkumulert et stort antall krypteringsnøkler som er utvekslet på forhånd.

Hastigheten kan imidlertid økes dersom mer eksperimentelle fiberoptiske kabler brukes.

– Vi har nådd over 100 megabit/s når vi bruker spesielle flerkjernefibre, sier Leif Katsuo Oxenløwe.

Demonstrasjonen er et resultat av det fireårige forskningsprosjektet Fire-Q, som Danmarks tekniske universitet (DTU), Århus universitet og Københavns universitet og fire mindre selskaper har gått sammen om, med støtte fra Innovasjonsfonden.

Denne artikkelen ble først publisert på Ingeniøren for deres abonnenter. Den er tilgjengelig på norsk for abonnenter av Ekstra gjennom vår samarbeidsavtale.