Wat is kwantumcryptografie?

Kwantumcryptografie verwijst naar cryptografische systemen die afhankelijk zijn van kwantummechanische effecten en eigenschappen om cryptografische taken uit te voeren. Dit in tegenstelling tot klassieke cryptografie die op moderne computers wordt gebruikt. Een fundamentele vereiste van kwantumcryptografie is het gebruik van een kwantumcomputer; het kan niet worden uitgevoerd met een standaardcomputer.

QKD

Het belangrijkste veld in kwantumcryptografie is QKD. QKD staat voor Quantum Key Distribution. In plaats van een volledig kwantumcoderingsproces te gebruiken, gebruikt QKD kwantumeffecten om een ​​klassieke coderingssleutel veilig te distribueren. Dit betekent dat alleen een bewezen veilig kwantumcommunicatiesysteem hoeft te worden ontwikkeld in plaats van veel complexere kwantumalgoritmen. Het vermindert ook de fysieke vereisten; technisch gezien zou alleen een kwantumnetwerkkaart nodig zijn op een normale computer in plaats van een hele kwantumcomputer.

Kwantummechanica leent zich redelijk voor het ontwikkelen van veilige kwantumcommunicatiesystemen. Er zijn manieren om te communiceren met kwantumcommunicatiekanalen die een niet-geautoriseerde derde partij niet kan controleren zonder dat die inbraak wordt gedetecteerd.

Ook de veiligheid van een kwantumcommunicatiekanaal kan worden teruggebracht tot enkele zeer minimale eisen. Een van die voorwaarden is dat de twee legitieme partijen een manier hebben om zich bij elkaar te authenticeren. Een andere vereiste is simpelweg dat de wetten van de kwantummechanica van toepassing zijn.

Het belangrijkste probleem voor QKD komt voort uit de moeilijkheid om kwantuminformatie over aanzienlijke afstanden te verzenden. Huidig ​​​​onderzoek maakt geschikte sleutelovereenkomsttarieven mogelijk over optische vezels tot wel 550 km. Voorbij deze afstand zijn kwantumrepeaters nodig om ervoor te zorgen dat het signaal niet verloren gaat in de ruis. Bovendien zou het routeren van kwantumcommunicatie via een kwantuminternet een uitdaging zijn. De huidige testsystemen zijn meestal punt-tot-punt.

Andere onderzoeksgebieden

Kwantumeffecten kunnen worden gebruikt op het gebied van wantrouwende kwantumcomputing. Hier kunnen twee partijen samenwerken zonder elkaar te vertrouwen. Het kwantumsysteem kan zo worden ontworpen dat beide partijen kunnen bewijzen dat de ander vals speelde. Deze methoden steunen echter ook op niet-kwantumeffecten zoals de speciale relativiteitstheorie.

Er is onderzoek gaande op andere gebieden, zoals de vereiste dat een ontvanger zich op een specifieke fysieke locatie bevindt, zelfs als twee tegenstanders samenspannen. Andere regelingen proberen zelfs actief oneerlijke ontvangers te dwingen eerlijk te zijn door overweldigende systeemvereisten te implementeren om frauduleus te kunnen zijn. Veel van dit soort werk heeft zwakke punten aangetoond in de huidige kwantumimplementaties, maar heeft de deur opengelaten voor toekomstig onderzoek in een zeer jong veld.

Kwantumcommunicatie vereist verschillende dingen om echt veilig te zijn. Ten eerste moeten optische transmissies in staat zijn om enkele fotonen te verzenden. Huidige systemen hebben de neiging om lasers te gebruiken die meerdere fotonen verzenden. Theoretisch zou een tegenstander een van de vele fotonen kunnen onderscheppen zonder een spoor achter te laten. Er is echter veelbelovend onderzoek naar de ontwikkeling van afzonderlijke fotonenbronnen.

Ten tweede hebben fotondetectoren last van op fabricagetolerantie gebaseerde verschillen, die een venster openen voor een afluisteraar om zichzelf in de communicatiestroom te injecteren zonder te worden gedetecteerd. Dit probleem is onmogelijk volledig op te lossen zonder oneindig krappe toleranties, een onhaalbare vereiste.

Conclusie

Quantumcryptografie verwijst naar cryptografie die gebruik maakt van kwantummechanische effecten. Het huidige primaire veld is Quantum Key Distribution, dat kwantumcommunicatiemethoden gebruikt om klassieke coderingssleutels te verzenden. Kwantumcryptografie moet niet worden verward met post-kwantumcryptografie.