Квантовое распределение ключей (QKD) - как это называется на жаргоне - защищено от атак на канал связи, но не от атак на сами устройства или манипуляций с ними. Таким образом, устройства могли выводить ключ, который производитель ранее сохранил и, возможно, переслал хакеру. С независимым от устройства QKD (сокращенно DIQKD) это совсем другая история. Здесь криптографический протокол не зависит от используемого устройства. Теоретически известный с 1990-х годов, этот метод теперь впервые был экспериментально реализован международной исследовательской группой, возглавляемой физиком LMU Харальдом Вайнфуртером и Чарльзом Лимом из Национального университета Сингапура (NUS).

Для обмена квантово-механическими ключами существуют различные подходы. Либо световые сигналы передаются передатчиком приемнику, либо используются запутанные квантовые системы. В настоящем эксперименте физики использовали два квантово-механически запутанных атома рубидия, расположенных в двух лабораториях, расположенных в 400 метрах друг от друга в кампусе LMU. Эти два места соединены волоконно-оптическим кабелем длиной 700 метров, который проходит под площадью Гешвистер Шолль перед главным зданием.

Чтобы создать запутанность, сначала ученые возбуждают каждый из атомов лазерным импульсом. После этого атомы самопроизвольно возвращаются в свое основное состояние, каждый из которых, таким образом, испускает фотон. Из-за сохранения углового момента спин атома запутан с поляризацией испускаемого им фотона. Две световые частицы перемещаются по волоконно-оптическому кабелю к приемной станции, где совместное измерение фотонов указывает на запутанность атомных квантовых воспоминаний.

Чтобы обменяться ключом, Алиса и Боб - как обычно называют две стороны криптографы - измеряют квантовые состояния своего соответствующего атома. В каждом случае это делается случайным образом в двух или четырех направлениях. Если направления совпадают, результаты измерений идентичны из-за запутанности и могут быть использованы для генерации секретного ключа. С помощью других результатов измерения можно оценить так называемое неравенство Белла. Физик Джон Стюарт Белл первоначально разработал эти неравенства, чтобы проверить, можно ли описать природу с помощью скрытых переменных. "Оказалось, что это невозможно", - говорит Вайнфуртер. В DIQKD тест используется "специально для того, чтобы убедиться в отсутствии манипуляций с устройствами - то есть, например, в том, что скрытые результаты измерений не были сохранены в устройствах заранее", объясняет Вайнфуртер.

В отличие от более ранних подходов, реализованный протокол, который был разработан исследователями из NUS, использует две настройки измерения для генерации ключей вместо одной: "Вводя дополнительную настройку для генерации ключей, становится сложнее перехватывать информацию, и поэтому протокол может выдерживать больше шума и генерировать секретные ключи даже для запутанных состояний более низкого качества", - говорит Чарльз Лим.

В отличие от этого, при использовании обычных методов QKD безопасность гарантируется только в том случае, если используемые квантовые устройства были достаточно хорошо охарактеризованы. "Таким образом, пользователи таких протоколов должны полагаться на спецификации, предоставляемые поставщиками QKD, и верить, что устройство не переключится в другой режим работы во время распределения ключей", - объясняет Тим ван Леент, один из четырех ведущих авторов статьи вместе с Вэй Чжаном и Каем Редекером. По крайней мере, десять лет было известно, что старые устройства QKD могут быть легко взломаны извне, продолжает ван Леент.

"С помощью нашего метода мы теперь можем генерировать секретные ключи с помощью нехарактерных и потенциально ненадежных устройств", - объясняет Вайнфуртер. На самом деле, изначально у него были сомнения в том, что эксперимент сработает. Но его команда доказала, что его опасения были необоснованны, и значительно улучшила качество эксперимента, как он с радостью признает. Наряду с проектом сотрудничества между LMU и NUS, другая исследовательская группа из Оксфордского университета продемонстрировала независимое от устройства распределение ключей. Для этого исследователи использовали систему, состоящую из двух запутанных ионов в одной лаборатории. "Эти два проекта закладывают основу для будущих квантовых сетей, в которых возможна абсолютно безопасная связь между удаленными точками", - говорит Чарльз Лим.

Одна из следующих целей - расширить систему, включив в нее несколько запутанных пар атомов. "Это позволило бы генерировать гораздо больше состояний запутанности, что увеличивает скорость передачи данных и, в конечном счете, безопасность ключа", - говорит ван Леент. Кроме того, исследователи хотели бы увеличить ассортимент. В нынешней установке это было ограничено потерей примерно половины фотонов в волокне между лабораториями. В других экспериментах исследователи смогли преобразовать длину волны фотонов в область с низкими потерями, подходящую для телекоммуникаций. Таким образом, всего за небольшое количество дополнительного шума им удалось увеличить дальность подключения к квантовой сети до 33 километров.