Kvantekryptering: Forskere holder krypteret telekonference via satellit
Nyt skridt i retning af en supersikker kommunikation, som ikke kan aflyttes.

Kinesiske og østrigske forskere har netop slået verdensrekord ved at sende kvantekrypterede billeder over en afstand på 7.600 km. Det skete med hjælp fra en satellit. (Illustration: University of Science and Technology of China)

Alvorlige hackerangreb rundt om i verden viser, at verden har brug for nye metoder, hvis vi skal sikre en privat og sikker kommunikation.

En løsning på problemet er kvantekryptering: En fuldstændig sikker form for kommunikation, hvor kriminelle ikke kan aflytte eller stjæle vigtige data, uden at det bliver opdaget.

Nu har forskere slået hidtidige rekorder ved at have en kvantekrypteret kommunikation mellem Østrig og Kina.

»Det er første gang, man har lavet kvantekrypteret kommunikation mellem to forskellige kontinenter. Det smarte er, at ingen kan hacke kommunikationen. Hvis de gør det, vil de blive opdaget,« siger Johannes Handsteiner, som er kvantefysiker og ph.d.-studerende ved Universitetet i Wien og en af forskerne bag det nye studie.

Hidtil har kvantekrypteringen været begrænset til kun at kunne foregå over langt kortere afstand. Men i det nye studie har forskerne udnyttet en satellitforbindelse til at sende kvantekrypterede fotos mellem Kina og Østrig.

Herudover har østrigerne og kineserne også afholdt en 75 minutters videokonference, der var delvist beskyttet med kvantekryptering.

Vi kommunikerer med lys

Kryptering

Kryptering er en metode til at hemmeligholde kommunikation, så andre ikke kan aflytte eller aflure vigtige informationer.

Klassisk kryptering bygger på matematik. Man låser groft sagt sine informationer (data) inde bag en matematisk kode, som man håber, at kriminelle ikke kan bryde.

Kvantekryptering bygger derimod på principper bag kvantefysik. Disse principper gør kommunikationen fuldstændig sikker – det er umuligt for kriminelle at aflure kommunikationen uden, at det bliver opdaget.

Kilde: Christian Scheffmann Jacobsen

Når vi i dagligdagen holder videokonference eller sender billeder til hinanden via internettet, bliver billederne ’pakket ned’ i små lyspartikler – fotoner – mens de rejser imellem os.

Fotonerne rejser typisk rundt imellem vores computere via optiske fibre, en slags kabler, der udgør en hurtig motorvej for fotonerne.

Forskerne kunne i forvejen lave fuldstændig sikker kommunikation ved hjælp af kvantekryptering, når kommunikationen foregik via optiske kabler.

Men problemet er, at det ikke er muligt – i hvert fald ikke endnu – at gøre det over store afstande.

»I en almindelig optisk fiber har du hele tiden et tab – du mister fotoner undervejs, og det betyder, at du ikke kan kommunikere over store afstande,« forklarer Christian Scheffmann Jacobsen, som er postdoc ved Institut for Fysik på Danmarks Tekniske Universitet (DTU).

»Hvis kommunikationen ikke er kvantekrypteret, kan man modvirke dette tab, men det kan man ikke gøre på samme måde, når den er kvantekrypteret.«

Sætter rekord

Forskerne bag det nye studie undgår problemet med tab af fotoner i optiske fibre ved i stedet at sende fotonerne via satellit, forklarer Christian Scheffmann Jacobsen.

»Når du først er nået op over Jordens atmosfære, er der ikke rigtig noget, som forstyrrer fotonerne, og de kan rejse over store afstande. Det er det smarte ved at bruge satellit,« siger Christian Scheffmann Jacobsen, som selv forsker i kvantekryptering, men ikke har været involveret i det nye studie.

De kvantekrypterede fotos i det nye studie er blevet sendt over en afstand på hele 7.600 kilometer mellem Østrig og Kina.

»I optiske fibre er det indtil nu kun lykkedes at bruge kvantekryptering på afstande op til omkring 200 kilometer,« siger Johannes Handsteiner.

Kinesere er langt fremme

Satellitten, der bruges som ’mellemled’ i kommunikationen, kaldes Micius og er opsendt af Kina.

Micius har også tidligere været med til at tage andre helt nye skridt inden for kvantekommunikation – eksempelvis viste de samme kinesiske forskere i 2017, at de kunne teleportere fotoner fra Jorden op i rummet til Micius-satellitten (Læs mere her).

Samme år slog kineserne også en anden rekord med Micius ved at sende kvante-sammenfiltrede fotoner ned til jordstationer, som lå 1.203 km fra hinanden (Læs mere her)

Kinesernes kvanteskridt har været anført af fysikeren Pan Jianwei, også kendt som Kinas 'kvantefader', som for nyligt blev udråbt af Nature til en af videnskabens vigtigste personer i 2017.

»Det er lykkedes Pan Jianwei at tiltrække en masse opmærksomhed på kvantekommunikation og på behovet for at have fuldstændig sikker kommunikation. Så Kina har brugt en masse resurser på det og har nok de mest ambitiøse planer på området. Til gengæld hører man næsten ingenting fra USA, og EU har også været langsomme i optrækket,« siger Christian Scheffmann Jacobsen.

Han tilføjer, at udover Micius-satelitten, som er dedikeret til kvanteeksperimenter, er kineserne også i færd med at opbygge et netværk for kvantekrypteret kommunikation mellem Beijing og Shanghai – verdens største kvantekrypterede optiske netværk.

Satellitten har i det nye studie sendt særlige 'nøgler' - kvantenøgler - ned til både østrigerne og kineserne. Disse nøgler kan bruges til at låse krypteret information op. Kineserne sendte et krypteret billede af den kinesiske videnskabsmand Micius til Østrig, og østrigerne sendte et krypteret foto af den østrigske kvantefysiker Schrödinger til Kina. (Illustration: University of Science and Technology of China)  

Bygger på kvantemekanikken

Kvantekryptering bygger på principperne fra kvantemekanikken, som er en særlig gren af fysikken.

Det nye studie

I det nye studie er et billede af den kinesiske videnskabsmand Micius med en størrelse på 5,34 kiloByte (kB) blev sendt fra Beijing til Wien.

Herudover er et billede af den berømte østrigske kvantefysiker Schrödinger (4,9 kB) blev sendt fra Wien til Beijing.

Videokonferencen, som var delvist kvantekrypteret, varede 75 minutter og omkring 2 GigaByte (GB) data blev transmitteret mellem Østrig og Kina.

Den særlige form for kryptering adskiller sig fra almindelig databeskyttelse – klassisk kryptering af data – ved at kunne give en fuldstændig sikret kommunikation mellem to parter.

Det er nemlig umuligt for en tredje part at stjæle eller aflytte kommunikationen, uden at det bliver opdaget.

»Fordelen ved kvantekryptering er, at det er beviseligt sikkert. Det er den klassiske kryptering, som man i dag bruger i banker, kreditinstitutter og andre steder, ikke,« siger Christian Scheffmann Jacobsen og tilføjer:

»Hvis jeg gerne vil have fingrene i kommunikation mellem banker, som er sikret med klassisk kryptering, er det eneste jeg skal gøre at opsnappe hele kommunikationen. Vi har ikke umiddelbart teknologi, som kan dekryptere (knække koden, red.) og læse det. Men der findes algoritmer, som kan kværne løs på de krypterede data, og hvis de får lov at gøre det længe nok, vil jeg til sidst kunne læse det hele.«   

Du kan læse meget mere om fordelene ved kvantekryptering, og hvordan man laver den supersikre kommunikation i denne artikel på Forskerzonen, som blandt andet er skrevet af Christian Scheffmann Jacobsen.

Videokonference ikke totalt kvantekrypteret

Billederne, som blev sendt mellem Kina og Østrig i det nye studie, var totalt beskyttet med kvantekryptering.

Men den 75 minutter lange videokonference, som blev afholdt mellem Det Kinesiske Videnskabsakademi og Det Østrigske Videnskabsakademi, var kun delvist kvantekrypteret, påpeger Christian Scheffmann Jacobsen.

De cirka 2 GigaByte (GB) data, som blev udvekslet under videokonferencen, var kort fortalt for stor en mængde data til, at forskerne teknisk set kunne kvantekryptere dem effektivt nok, forklarer han.

»De bruger metoder fra klassisk kryptering til telekonferencen. Man kan sige, at låsen, de krypterer med, er klassisk, men nøglen er kvantefysisk,« siger Christian Scheffmann Jacobsen.

Johannes Handsteiner medgiver, at telekonferencen ikke var totalt sikret, ligesom en fuldstændig kvantekrypteret kommunikation ville have været det.

Men han påpeger, at kommunikationen fortsat var mere sikker end de sikreste metoder, som udelukkende er baseret på klassisk kryptering.

»Det er super usandsynligt, at nogen ville kunne hacke videokonferencen, Men ja – der er en lille, lillebitte risiko for det,« siger Johannes Handsteiner, som påpeger, at det samme ikke er tilfældet for den kvantekrypterede udveksling af fotos mellem Østrig og Kina.

Billede fra den delvist kvantesikrede videokonference, som blev afholdt 29. september 2017 mellem Det Kinesiske Videnskabsakademi og Det Østrigske Videnskabsakademi. (Foto: Chinese Academy of Sciences)

Behov for kvantekryptering stiger

Ifølge Johannes Handsteiner vil vores behov for sikker kommunikation kun stige i fremtiden. Forskere arbejder i øjeblikket hårdt på at få udviklet supercomputere – kvantecomputere – som er nutidens stærkeste computere totalt overlegne.

»Med kvantecomputernes stigende regnekraft, vil man nemt kunne hacke alle nuværende klassiske krypteringer. En løsning på det, vil være kvantekryptering,« siger Johannes Handsteiner. 

»Bare forestil dig, at der i morgen fandtes en stærk kvantecomputer. Du ville ikke længere kunne stole på internettet. Du vil ikke længere have et sikkert log-in på din facebookkonto, du kan ikke lave bankoverførsler, og du har ikke længere en sikker og privat email. Så i fremtiden er der i høj grad brug for kvantekryptering,« fastslår han.

Christian Scheffmann Jacobsen er enig.

»Hvis kvantecomputeren bliver opfundet i morgen, eller hvis der er nogen, der opdager en mere effektiv måde at dekryptere på, så vil al klassisk kryptering bryde sammen, også bagudrettet. Det gælder potentielt al information, der nogensinde er blevet beskyttet med klassisk kryptering som den, vi bruger i dag,« påpeger han.

Er satellitter vejen frem?

Selvom Christian Scheffmann Jacobsen ser det nye studie som et vigtigt skridt i retning af sikret fremtidig kommunikation, så mener han alligevel ikke, at brugen af satellitter er vejen frem.

»Jeg mener ikke, at det er løsningen. Efter min mening er det for dyrt at bruge satellitter, hvis vi skal lancere kvantekryptering bredt i fremtiden,« siger Christian Scheffmann Jacobsen.

En anden og bedre løsning er ifølge Christian Scheffmann Jacobsen at få opfundet en såkaldt quantum repeater – en slags forstærker, som kan sørge for, at kvantekrypterede fotoner kan rejse over større afstande i optiske fibre.

»Hvis man kan opfinde en forstærker, en kvanteforstærker, som ikke ødelægger egenskaberne ved kvantekryptering, vil det efter min mening være en bedre løsning. Men det ligger ikke lige om hjørnet,« siger Christian Scheffmann Jacobsen.

Det nye studie er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Physical Review Letters.

Forskningsgruppen i Østrig har været under ledelse af professor Anton Zeilinger, der ligesom kinesiske Pan Jianwei beskrives som en af pionererne inden for kvantekrypteret kommunikation.  

Hvilken kryptering - og er den helt sikker?

Micius-satellitten udgør et svagt led i den kvantesikrede kommunikation, mener dansk forsker. 

Krypteringen i det nye studie er af typen ’Quantum Key Distribution’ (QKD), som på dansk kan oversættes til 'kvantenøglefordeling' eller kvantekryptering.

Det er en form for kryptering, hvor to parter deler en tilfældig, hemmelig nøgle, som kun de to parter har kendskab til, og som gør dem i stand til at kryptere og dekryptere information.

»I kvantekryptering udveksler de to parter en nøgle. De kan bruge nøglen, som de vil. De kan kryptere en besked, som de lægger på deres Facebook-væg, og ingen vil kunne læse denne tekst, så længe de ikke har nøglen til at dekryptere beskeden,« forklarer Johannes Handsteiner.

I det nye studie har forskerne i både Østrig og i Kina fået tilsendt den samme kvantenøgle fra satellitten. Satellitten udgør altså en slags ’mellemled’ eller relæ, som videresender nøglen mellem de to parter i Østrig og Kina.

Det er ifølge Christian Scheffmann Jacobsen et fremskridt i forhold til de kinesiske forskeres tidligere eksperiment, hvor de har sendt kvantekrypteret information direkte fra satellitten ned til jordbaserede stationer.

»At anvende satellitten som relæ er noget mere teknisk kompliceret end at kommunikere med den direkte, så med denne artikel har de virkelig vist, at konceptet kan fungere i praksis,« siger Christian Scheffmann Jacobsen, som dermed er mere imponeret over det nye resultatet.

I en email til Videnskab.dk skriver den kinesiske hovedforfatter på studiet, professor Pan Jian-Wei om eksperimentet:

»Kvantenøglefordeling (QKD) bruger individuelle lyskvanter (enkelte fotoner) i kvante-superpositionstilstande til at garantere ubetinget sikkerhed mellem satellitten og jordstationen. Ved at bruge satellitten som et relæ oprettes der en hemmelig nøgle mellem Kina og Europa, og nøglen er kun kendt for de to kommunikationsparter og satellitten, men ikke nogen fjerde part.«

Kunne være mere sikker?

Dog mener Christian Scheffmann Jacobsen godt, at forskerne bag det nye studie kunne have lavet kvantekrypteringen endnu mere sikker. Han påpeger, at hvis nogen fløj op til satellitten, ville de kunne stjæle kvantenøglen fra satellitten og dermed gøre kommunikationen usikker.

»De er nødt til at antage, at satellitten ikke bliver angrebet. Hvis en aflytter får adgang til satellitten, er kommunikationen ikke længere sikker,« siger Christian Scheffmann Jacobsen.

Han påpeger, at hvis forskerne havde valgt en anden metode – kendt blandt kvantekrypteringsforskere som en MDI-protokol – ville de kunne undgå risikoen for, at nogen rejste op til satellitten og stjal kvantenøglen.

»Hvis de havde brugt en MDI-protokol i stedet kunne aflytteren faktisk sidde oppe i satellitten, uden at det ville gøre en forskel for sikkerheden. En af grundene til, at de ikke anvender MDI, er at det ville kræve, at de skød lyset (fotonerne, Red.) fra Jorden op til satellitten - og ikke, som de gør nu, fra satellitten til Jorden. Det er noget mere kompliceret at udføre i praksis, men det ville være mere sikkert,« påpeger Christian Scheffmann Jacobsen.

Billederne, som blev udvekslet mellem Kine og Østrig i det nye studie, blev sendt med en hastighed på omkring 80 kbit per sekund, og en kvantenøgle, som var kodet med en særlig slags algoritme (et one-time-pad).

Videokonferencen, som beskrives i det nye studie, var krypteret på klassisk vis (mere præcist med en Advanced Encryption Standard (AES)-128 protokol, som sendte 128-bit per sekund.) Men ud over den klassiske kryptering blev en 560 kbit kvantenøgle udvekslet mellem Østrig og Kina til videokonferencen.

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud