Неразбиваеми квантови съобщения вече могат да се изпращат през въздуха и скоро ще бъдат предавани в космоса.

Изследователи от Университета за наука и технологии в Китай (USTC) разработиха през 2018 г. начин да споделят "квантови ключове" между орбиталните спътници и наземните станции, съобщава Live Science. Това направи връзката между китайския спътник Micius и три наземни обекта, с които той комуникира в Европа и Азия, най-голямата сигурна квантова мрежа в света. Но инструментът за квантова секретност, който Micius първоначално използва, имаше няколко течове, което изискваше учените да разработят по-усъвършенствана форма на квантово криптиране, известна като независимо от устройството разпределение на квантовия ключ (MDI-QKD). Сега същите тези изследователи за първи път изтеглиха MDI-QKD безжично в град в Китай, без да има ангажирани оптични влакна. И те се готвят да изпратят MDI-QKD до Micius.

"Резултатите от китайската група [са] много интересни за квантовата комуникационна общност"“, каза Даниел Клауд, изследовател на квантовите комуникации от университета в Калгари в Онтарио, който не е участвал в експеримента.

Това отваря вратата, каза той, към практични квантово криптирани мрежи, разчитащи както на спътници, така и на оптични кабели, работещи в тандем, нещо невъзможно при съвременните технологии.

Квантово защитени съобщения

Всяка част от сигурни данни, които някога сте изпращали от телефона си - инструкции до вашата банка чрез мобилно приложение например или съобщения в Whatsapp с майка ви - са излъчени на огромни разстояния, пълни с потенциални хакери. Но всеки подслушващ вероятно не може да разбере тази информация, тъй като тя се трансформира в глупости, които могат да бъдат дешифрирани само със сигурен ключ, който представлява основно дълъг низ от числа. Този низ от числа се разбърква с информацията, която защитава, и само някой, който знае низа, може да ги дешифрира.

Тези системи обаче не са перфектни, а са уязвими за атака от всеки, който е "слушал", когато ключът е бил споделен. Те също така обикновено не използват достатъчно дълги низове от числа, за да бъдат напълно сигурни дори срещу някой, който не е слушал ключа, според книгата на белгийския криптограф Жил Ван Аше "Квантова криптография и извличане на секретен ключ" (Cambridge University Press) , 2006).

Така през 80-те години изследователите разработиха теоретичен метод за генериране на защитени ключове с помощта на квантова механика. Те разбраха, че защитените ключове могат да бъдат кодирани в квантовите свойства на отделните частици и да се обменят тайно напред-назад. Предимството на това "разпределение на квантовия ключ" (QKD) е, че квантовата физика повелява, че самият акт на наблюдение на частица я променя непоправимо. Така че всеки шпионин, който се опита да засече квантовия ключ, може незабавно да бъде открит по промените в частиците.

През последните години, когато изследователите започнаха да изграждат прототипни мрежи за разпределение на квантови ключове, използвайки фотони (светлинни частици), в системата се появи важен недостатък - "атаки на странични канали", които могат да извлекат копия на квантов ключ директно от получателя, според изследване, публикувано през 2012 г. в списанието Physical Review Letters.

Така че изследователите разработиха MDI-QKD, наричайки го в "просто решение за премахване на всички (съществуващи и предстоящи да бъдат открити) странични канали".

При MDI-QKD изпращачът и получателят на съобщение изпращат своите квантови ключови фотони едновременно (както и примамки) на трета страна. Всеки фотон съдържа един бит информация: единица или нула. Третата страна не трябва да бъде защитена и не може да прочете информацията, която фотоните предават.

"Всичко, което може да разбере, е връзката между [фотоните]", каза Волфганг Тител, експерт по квантови комуникации в QuTech, колаборация между Технологичния университет в Делфт в Холандия и Холандската организация за приложни научни изследвания. "Може само да каже дали са еднакви или различни".

Когато изпращачът и получателят изпращат единица или нула, те получават съобщение от релето, в което се казва, че са изпратили същия бит. Ако изпращат различни номера, релето излъчва, че са изпратили различни номера. Хакер, шпиониращ релето, може да разбере само дали фотоните са еднакви или различни, но не и дали представляват единица или нула.

"Но разбира се хората, които са изпратили съобщенията, знаят какво са изпратили, така че знаят какво е изпратил другият човек", обяснява Тител пред Live Science.

Всички тези единици и нули се добавят към сигурен квантов ключ и хакерът няма начин да разбере какво е това.

Но MDI-QKD има свои собствени предизвикателства, казва Тител, който не участва в този последен експеримент. Изисква се и двата фотона да пристигнат в релето по едно и също време.

"Установихме, че това е трудно поради промени в температурата на устройството", каза той, което може да обърка времето.

И това използва специални оптични кабели. Изпращането на фотони през въздуха изисква отчитане на атмосферната турбуленция, което прави времето още по-непредсказуемо.

Ето защо новият експеримент е толкова впечатляващ, каза Тител. Докато Китай прави стандартна QKD с Micius от 2018 г., досега никой не е разбрал как да направи по-неразбиваемата система за криптиране на дълги разстояния без оптични кабели, за да пренесе фотоните напред-назад.

В новото проучване изследователите изпращат защитен ключ MDI-QKD на 19,9 километра  без кабел между две сгради в град Хефей. За да са сигурни, че фотоните са пристигнали в релето по едно и също време, те са разработили алгоритми, които позволяват изпращащото и получаващото устройства да отчетат колебанията в този участък от атмосферата.

Извеждането на MDI-QKD в космоса ще изисква повече решения на проблеми, включително по-добри алгоритми, които могат да отчетат още по-големите разстояния.

"Второто предизвикателство, което се надяваме да преодолеем, е свързано с движението на сателитите", казва пред Phys.org един от авторите на статията.

Движещата се цел променя поведението на фотоните по начини, които трябва да бъдат много точно отчетени.

Тител казва, че движението на сателита прави MDI-QKD "много трудно", но че е правдоподобно екипът на USTC да го направи.

Ако го направят, те ще са разработили квантова мрежа, в която не може да бъде проникнато по никой известен метод за разбиване на кода. Това би била най-сигурната мрежа за комуникация на дълги разстояния в света.