Kaip pavogti kvantinius raktus?

Ilja Gerhardas (Ilja Gerhardt) iš Nacionalinio Singapūro universiteto kartu su kolegomis iš Trondheimo universiteto (Norvegija) išspausdino savo darbą prestižiniame „Nature Communications“ žurnale. Nors tai nėra pirmasis eksperimentas, parodantis, jog kvantinės kriptografijos sistemos yra pažeidžiamos, todėl kvantinį raktą įmanoma slapčia nukopijuoti, vis dėlto tai pirmasis kartas, kai kažkam tai pavyko įgyvendinti realiai.

„Tai parodo, jog praktikoje įmanoma įgyvendinti toli gražu ne idealizacijas, todėl tam, kad kvantinė kriptografija būtų iš tiesų saugi, būtina atlikti krupščius tyrimus“, – teigia straipsnio autoriai.

Nagrinėtas kvantinės kriptografijos metodas yra paremtas tuo, kad slaptas raktas yra tas įrankis, kuriuo siuntėja (Alisa) ir gavėjas (Bobas) užšifruoja žinutes. Pavyzdžiui, Alisa Bobui nusiunčia raktą, kurio pavidalas atitinka pavienius tam tikros poliarizacijos fotonus. Alisa visiškai atsitiktinai poliarizuoja fotonus, naudodama du skirtingus poliarizatorius. Bobas savo ruožtu lygiai taip pat atsitiktinai panaudoja skirtingus poliarizatorius, kad tuos fotonus aptiktų. Tuomet Bobas neapsaugotu kanalu paklausia Alisos, kurį poliarizatorių ji panaudojo kiekvienam fotonui, ir palygina šią informaciją su savo matavimais. Matavimo rezultatai, kurie atitiko tuos pačius poliarizatorius, tampa slaptu Alisos ir Bobo raktu.

Tam, kad nukopijuotų šį raktą ir perimtų siunčiamą žinutę, piktavalė Ieva privalo teisingai atspėti, kuris poliarizatorius turi būti panaudotas kiekvienam fotonui, kurį Alisa siunčia Bobui. Dėl didelio fotonų skaičiaus mažai tikėtina, jog Ievai gali ilgai sektis atliekant spėjimus. Kuomet Ieva panaudoja neteisingą poliarizatorių, fotono poliarizacija yra sumaišoma, todėl Bobo matavimai pasidaro nebeteisingi. Šis neatitikimas perspėja Bobą ir Alisą, jog jų klausosi trečiasis asmuo. Alisa ir Bobas tai gali patvirtinti atviru kanalu palygindami nedidelį rakto fragmentą.

Naujajame darbe fizikai parodo, kaip paslapčiomis nušvilpti kvantinį raktą, kuomet eksperimentas buvo atliktas 290 metrų ilgio skaidula Nacionaliniame Singapūro universitete. Iš pradžių tyrėjai perėmė pavienius skaidula skriejančius fotonus ir tuomet išspinduliavo ryškius tos pačios poliarizacijos šviesos impulsus, kad „apakintų“ Bobo fotodiodus, kuriais jis aptinka Alisos siunčiamos fotonus.

Apakintieji Bobo fotodiodai negali detektuoti pavienių fotonų, todėl reaguoja į atskriejančių šviesos impulsų intensyvumą. Dėl šios priežasties Bobas nebegali kiekvienam matavimui atsitiktinai parinkti poliarizatoriaus. Eksperimento metu tyrėjai per penkias minutes perėmė apie 8 milijonus fotonų ir perspinduliavo atitinkamus ryškius šviesos impulsus. Bobas teisingai pasirinktu detektoriumi teisingai išmatavo visus šviesos impulsus. Taigi jeigu Alisa ir Bobas sugalvotų palyginti rakto fragmentą, nebūtų jokių neatitikimų, todėl Ieva liktų nepastebėta.

Parodę, kaip paslapčiomis nugvelbti kvantinį raktą, mokslininkai dabar bando surasti būdą, apsaugantį nuo tokių galimų atakų. Vienas iš variantų, jeigu Bobas priešais savo detektorių sumontuotų pavienių fotonų šaltinį ir kartkartėmis jį įjungtų, kad įsitikintų, jog jis vis dar gali detektuoti pavienius fotonus. Jeigu paaiškėtų, kad to padaryti nebegali, tuomet tikėtina, jog detektorių paveikė piktavalė Ieva.