Licht om communicatie te versleutelen

Onderzoekers van de UT hebben een nieuwe manier gevonden om gegevens te beschermen tegen aanvallen met kwantumcomputers. Met kwantumcomputers in opkomst kan bestaande cryptografie makkelijk worden overwonnen.

Losse lichtdeeltjes – fotonen – worden al gebruikt om gegevens te beschermen, maar de transmissiesnelheid is traag, met slechts 1 bit per foton. Pepijn Pinkse leidde het experiment om de transmissiesnelheid te verhogen tot 7 bits per foton.

Computers gebruiken cryptografie om hun communicatie te beveiligen. In theorie zou een kwantumcomputer bestaande cryptografie kunnen breken. Maar tot voor kort was het nog opmerkelijk als een kwantumcomputer iets kon doen wat een snelle, klassieke computer niet kon. Zoiets wordt ‘quantum supremacy’ genoemd.

Onlangs claimde Google in Nature een experimenteel bewijs van deze quantum supremacy, zij het met een berekening die geen praktisch nut heeft. Toch kunnen we niet langer uitsluiten dat kwantumcomputers zo krachtig worden dat ze de bestaande cryptografie doorbreken, omdat er kwantumalgoritmen bekend zijn die de meest gebruikte cryptografische methoden van vandaag de dag doorbreken.

Kwantumtechnologie biedt echter ook oplossingen. Met Quantum Key Distribution (QKD) kun je veilig geheime sleutels opbouwen tussen een afzender en een ontvanger. Commerciële QKD systemen zijn verkrijgbaar bij verschillende leveranciers en er zijn al ruimtevaartversies ingezet.

Standaard QKD-systemen maken gebruik van enkelvoudige lichtdeeltjes – fotonen – die zich in een van de twee mogelijke toestanden bevinden, bijvoorbeeld horizontaal of verticaal gepolariseerd. Dit beperkt de transmissie tot 1 bit per foton. In zekere zin zijn de fotonen gecodeerd in een alfabet van slechts twee letters: a en b.

Onderzoekers van de UT hebben dit alfabet nu met meer dan duizend letters vergroot. Dit verhoogt de weerstand tegen ruis en verhoogt mogelijk de datasnelheid. Ze hebben dit bereikt door de kwantuminformatie te coderen in 1024 mogelijke locaties van de gebruikte fotonen. Om het voor een aanvaller moeilijk te maken om te zien wat er is verzonden, wisselen ze de codering willekeurig tussen twee verschillende alfabetten.