Demonstration of a partial knowledge quantum key distribution protocol

In de wereld van beveiligde communicatie bestaat er een fundamentele belofte: dat twee mensen een geheime code kunnen delen die fysiek onmogelijk door een derde partij kan worden onderschept zonder opgemerkt te worden. Deze belofte rust op de vreemde regels van de kwantummechanica, waarbij de handeling van het observeren van een deeltje het deeltje verandert. Decennialang was de standaardmanier om deze codes te bouwen het verzenden van lichtdeeltjes, genaamd fotonen, waarbij de zender en de ontvanger een specifieke set richtingen afspreken om ze te meten. Als zij toevallig dezelfde richting kiezen, krijgen zij een overeenkomstig resultaat, en die overeenkomst vormt onderdeel van hun geheime sleutel. De aanname is altijd geweest dat beide partijen precies moeten weten wat de ander heeft gemeten om een goede sleutel te verkrijgen.

De natuur biedt echter vaak subtielere mogelijkheden. Soms onthult een meting niet het volledige verhaal van de staat van een deeltje, maar sluit het in plaats daarvan bepaalde mogelijkheden uit, waardoor de waarnemer slechts met gedeeltelijke informatie achterblijft. Het is alsof je te horen krijgt dat een kaart geen hart is; je weet niet precies welke kaart het is, maar je weet wel dat het niet één van dertien specifieke opties is. Wetenschappers hebben zich lang afgevraagd of dit soort "gedeeltelijke kennis" nog steeds gebruikt kan worden om een beveiligde communicatielijn op te bouwen. Als twee mensen het eens kunnen worden over een geheim, zelfs wanneer ze alleen weten wat de ander niet heeft gedaan, zou dit nieuwe manieren kunnen openen om gegevens te beschermen, vooral in situaties waar perfecte informatie moeilijk te verkrijgen is of waar de gebruikelijke methoden te traag of te complex zijn.

Een team onderzoekers aan de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem heeft nu een grote stap gezet naar het bewijzen dat dit idee in de echte wereld werkt. Zij hebben een nieuwe methode gedemonstreerd voor het creëren van geheime sleutels, die zij het Bridge-protocol noemen, met een opstelling die het mogelijk maakt om informatie te delen zelfs wanneer zij slechts gedeeltelijke kennis hebben van elkaars keuzes. In hun experiment stuurden de twee partijen, traditioneel Alice en Bob genoemd, fotonen naar elkaar met drie verschillende sets meetrichtingen, in plaats van de gebruikelijke twee. Wanneer zij hun aantekeningen vergeleken, ontdekten zij dat, hoewel zij niet altijd precies konden aangeven welke richting de ander had gekozen, de informatie die zij deelden voldoende was om een veilige, wederzijdse geheime sleutel te destilleren. Dit is een significante verschuiving ten opzichte van eerdere methoden, waarbij het doel was om ervoor te zorgen dat beide partijen identieke, volledige informatie hadden over elke enkele bit aan data.

De onderzoekers bouwden een fysiek apparaat om dit concept te testen, gebruikmakend van een laser die kleine lichtpulsen afvuurt. Om de benodigde variëteit aan richtingen te creëren, gebruikten zij een speciale kristal die de polarisatie van licht kan draaien, wat in essentie de richting is waarin de lichtgolven trillen. Een slim kenmerk van hun ontwerp was het gebruik van een enkel kristal om tussen drie verschillende meetrichtingen te schakelen. Het licht reisde door het kristal, weerkaatste tegen een spiegel en reisde er vervolgens weer doorheen. Door de elektrische signalen die naar de kristal werden gestuurd zorgvuldig te timen, konden de onderzoekers ervoor zorgen dat het licht bij de uitgang anders geroteerd werd dan bij de ingang. Dit stelde hen in staat om twee verschillende personen die verschillende keuzes maken te simuleren met slechts één stuk apparatuur, wat de opstelling aanzienlijk vereenvoudigde.

In hun experiment toonden het team aan dat het systeem met hoge precisie werkte. Zij maten het licht nadat het door de kristal was gepasseerd en stelden vast dat de richtingen accuraat waren, waarbij het licht ongeveer 97 procent van de tijd in de beoogde oriëntaties trilde. Toen zij het volledige protocol uitvoerden, berekenden zij de snelheid waarmee zij een veilige sleutel konden genereren. Zelfs met de kleine hoeveelheid ruis en fouten die aanwezig zijn in elk echt laboratorium, waren zij in staat om een veilige sleutel te extraheren met een snelheid van ongeveer 200 bits per seconde. Dit getal is niet slechts een theoretische mogelijkheid; het was een directe meting van hun werkende apparaat. De resultaten bevestigden dat het protocol robuust genoeg is om de imperfecties van een echte omgeving te verwerken, mits de foutmarge onder een specifieke drempel blijft, die hun systeem comfortabel haalde.

De betekenis van dit werk gaat verder dan alleen het creëren van een nieuw type sleutel. Het demonstreert dat beveiligde communicatie geen perfecte, volledige kennis vereist van de acties van de ander. In het nieuwe Bridge-protocol eindigen Alice en Bob in een situatie waarin zij weten dat de ander een specifieke optie niet heeft gekozen, maar zij onzeker blijven tussen de andere twee opties. Deze "gedeeltelijke kennis" is voldoende om een gedeeld geheim te creëren. De onderzoekers toonden ook aan dat hun methode om een enkel kristal te gebruiken voor het beheren van drie verschillende richtingen een praktische engineeringoplossing is die kan worden toegepast op andere taken in de kwantumtechnologie, zoals snellere kwantumcomputing of andere vormen van kwantumsensoren.

Het team merkte er zorgvuldig bij op dat, hoewel hun proof-of-concept goed werkte, er nog ruimte is voor verbetering. De snelheid van hun huidige systeem wordt beperkt door de tijd die de kristal nodig heeft om tot rust te komen na het veranderen van zijn staat, een fenomeen dat bekend staat als akoestische resonantie (acoustic ringing). Als deze technische hindernis wordt overwonnen, zou de snelheid van het genereren van sleutels drastisch kunnen toenemen. Bovendien wezen de onderzoekers erop dat hun methode bijzonder sterk is tegen een specif kind van hackpoging waarbij een aanvaller probeert een enkel foton in tweeën te splitsen. Omdat het protocol steunt op de relatie tussen de bases in plaats van alleen op de bits zelf, biedt het een andere vorm van beveiliging die waardevol kan zijn in toekomstige netwerken.

Uiteindelijk overbrugt dit experiment de kloof tussen theoretische kwantummechanica en praktische toepassing. Het laat zien dat de vreemde, contra-intuïtieve regels van de kwantumwereld, waarbij informatie onvolledig maar toch nuttig kan zijn, kunnen worden aangewend om echte beveiligingssystemen te bouwen. Door te bewijzen dat een veilige sleutel kan worden gesmeed uit gedeeltelijke informatie, hebben de onderzoekers een nieuw pad geopend voor hoe we over privacy in een kwantumtoekomst kunnen denken. Het werk staat als een duidelijke demonstratie van dat weten wat iets niet is, soms net zo krachtig is als weten wat iets precies is.