Quantum Hashing with QKD States

In de wereld van informatiebeveiliging is er een constante race tussen degenen die gegevens vergrendelen en degenen die proberen de sloten te kraken. Een van de meest betrouwbare hulpmiddelen om gegevens te vergrendelen is een digitale vingerafdruk, bekend als een hash. Stel je een machine voor die een lange, complexe boodschap neemt en deze platdrukt tot een korte, unieke reeks tekens. Als zelfs één letter in de oorspronkelijke boodschap verandert, verandert de resulterende reeks volledig, waardoor het gemakkelijk is om manipulatie op te merken. De uitdaging ontstaat wanneer je wilt bewijzen dat je de juiste vingerafdruk hebt zonder de vingerafdruk zelf te laten zien, een taak die moeilijk is voor standaardcomputers maar potentieel veel gemakkelijker voor quantummachines. Quantumcomputers gebruiken de vreemde regels van de fysica die de kleinste deeltjes beheersen om informatie te verwerken op manieren die klassieke machines niet kunnen. Dit veld beweegt zich momenteel door een fase waarin apparaten krachtig genoeg zijn om echt werk te verrichten, maar nog steeds beperkt worden door ruis en imperfecties, een stadium dat wetenschappers het NISQ-tijdperk noemen. De vraag die onderzoekers stellen, is of we nuttige quantumbeveiligingsinstrumenten kunnen bouwen met de hardware die we nu hebben, in plaats van te wachten op perfecte, futuristische machines.

Een team natuurkundigen van de Kazan Federal University en het Zavoisky Physical-Technical Institute in Rusland heeft een nieuwe manier voorgesteld om deze digitale vingerafdrukken te bouwen met behulp van precies dezelfde technologie die de huidige quantumcommunicatienetwerken aandrijft. Hun werk richt zich op een methode genaamd quantum hashing, die een quantumtoestand creëert die een stuk data vertegenwoordigt. De auteurs realiseerden zich dat de meest efficiënte quantumhashfuncties die eerder werden bedacht, geavanceerde engineering vereisten die mogelijk pas over jaren haalbaar zou zijn. In plaats daarvan ontwierpen zij een nieuwe constructie die volledig steunt op de basisbouwstenen van het BB84-protocol, een standaardmethode voor het delen van geheime sleutels die al wordt gebruikt in commerciële quantumapparaten. Door alleen de specifieke toestanden van lichtdeeltjes te gebruiken die deze bestaande machines al kunnen genereren en meten, toonden de onderzoekers aan dat de hardware die nodig is om deze nieuwe hashes te creëren en te verifiëren, al beschikbaar is. De enige verandering die vereist is, zit in de klassieke software die de apparaten aanstuurt, en niet in de quantumhardware zelf.

De kern van hun uitvinding bestaat uit het nemen van een stuk data en het vertalen ervan naar een patroon van quantumtoestanden met behulp van een wiskundige structuur die bekend staat als een foutcorrigerende code. Denk aan deze code als een set regels die extra informatie aan een boodschap toevoegt om fouten te detecteren en te herstellen. De onderzoekers nemen een binaire string van data en gebruiken deze regels om de data in twee delen te splitsen. Het ene deel bepaalt welke specifieke quantumtoestand wordt gecreëerd, terwijl het andere deel beslist in welke "hoek" of basis men die toestand bekijkt. Dit proces resulteert in een verzameling individuele quantumdeeltjes, die elk een minuscuul stukje van de vingerafdruk van de oorspronkelijke data bevatten. De schoonheid van deze aanpak is dat het het probleem van het creëren van een beveiligde hash verandert in een probleem van het voorbereiden van specifieke quantumtoestanden, een taak die routinematig is voor moderne quantum sleutelverdelingssystemen.

Om ervoor te zorgen dat deze nieuwe methode veilig is, moesten de onderzoekers bewijzen dat het extreem moeilijk is om twee verschillende stukken data te vinden die dezelfde quantumvingerafdruk produceren, een probleem dat bekend staat als een botsing (collision). Ze toonden wiskundig aan dat als de onderliggende code correct wordt gekozen, de kans dat twee verschillende inputs bijna identieke quantumtoestanden creëren, verwaarloosbaar klein is. Specifiek toonden ze aan dat door een bepaere type code, een BCH-code genoemd, te gebruiken, zij konden garanderen dat de waarschijnlijkheid van een botsing onder een specifieke drempelwaarde daalt, waardoor het systeem robuust is tegen aanvallen. Hun berekeningen bevestigen dat voor data-inputs van een bepaalde grootte, de resulterende quantumhash veilig genoeg is voor praktisch cryptografisch gebruik.

De onderzoekers hebben ook de efficiëntie van hun systeem aangepakt, waarbij ze ervoor zorgden dat de quantumvingerafdruk kleiner is dan de oorspronkelijke data die het vertegenwoordigt. Ze bewezen dat voor inputgroottes van 32 bits of groter, het aantal benodigde quantumdeeltjes om de hash op te slaan strikt minder is dan het aantal bits in de oorspronkelijke boodschap. Deze compressie is essentieel om het systeem bruikbaar te maken in real-world toepassingen. Het artikel concludeert dat deze nieuwe constructie niet alleen een theoretische mogelijkheid is, maar een praktische oplossing die onmiddellijk kan worden geïmplementeerd op bestaande hardware. Door gebruik te maken van de toestanden die al worden gebruikt in protocollen voor veilige communicatie, hebben de auteurs de kloof tussen theoretische quantumcryptografie en de apparaten die momenteel in laboratoria en commerciële netwerken staan, overbrugd, en daarmee een pad geboden voor veilige quantum hashing zonder te hoeven wachten op de volgende generatie technologie.