Použitým protokolem pro QKD byl ve všech případech nejstarší a nejznámější zvaný BB84. Zdrojem fotonů byly ve všech případech tzv. slabé koherentní pulsy, t.j. zeslabený výstup z laseru. Zeslabením máme na mysli posunutí maxima v rozdělení počtu fotonů z výstupu laseru na úroveň desetin fotonů (typicky <n> ~ 0.1). Toto rozdělení má poissonovský charakter a právě toto je zodpovědné za jeden z velmi úspěšných útoků na tento typ QKD schémat – útok dělením počtu fotonů. S jistou pravděpodobností laser vygeneruje dva a více fotonů ve stejném stavu a Eva (tradičně útočník) může detekovat příchod vícefotonových příspěvků a jeden (resp. více) fotonů uschovat. Později po odposlechu komunikace na veřejné lince jí to umožňuje zjistit finální bit klíče.

Čím ztrátovější linka je, tím snazší je pro Evu útočit, protože v extrémním případě potlačí všechny jednofotonové stavy (nakopírovat si neznámý kvantový stav nemůže a tak jej raději podusí) a z vícefotonových stavů uždibuje. Důvodem je, že v rámci bezpečnosti se předpokládají skoro magické schopnosti Evy. Trochu méně dramaticky tím máme na mysli, že Eva má k dispozici takovou technologie, kterou nám známá fyzika dovoluje. Již jsme viděli její schopnost měřit počet fotonů a mezi další z předpokladů patří možnost nahradit ztrátovou linku bezztrátovým kvantovým kanálem. Může tak zrekonstruovat statistiku ztrátového přenosového kanálu a přitom získat kompletní informaci o klíči z vícefotonových příspěvků. Avšak existuje jedna metoda, která sice nezabrání Evinným zlovolným aktivitám, ale umožňuje je detekovat. Jde o tzv. návnadové stavy (decoy states). Stručně řečeno, odesílatel (Alice) přidává do signálu stavy s vyšší intenzitou (středním počtem fotonů) a ty slouží jako návnada pro Evu. Ta totiž neví jaké stavy jsou vějičkou a útočí na všechno, čímž mění detekční statistiku u příjemce (Bob), která by jinak bez její přítomnosti měla být shodná jak pro signální tak i pro návnadové stavy. Toto vylepšení má za následek dramatické zvýšení dosahu bezpečného QKD na vzdálenosti přes stovku kilometrů, jak se právě podařilo v publikovaných pracech. Další možností, jak zabránit tomuto typu útoku, by bylo použít opravdový jednofotonový zdroj (fotonové dělo), ale účinnost současných prototypů je nízká anebo spojena s příliš komplikovaným provozem. Poznamenejme, že pokud hovoříme o jednotlivých fotonech, nemáme na mysli jednotlivé polní excitace (Fockovy stavy), neboť díky jejich prostorové a časové nelokalizaci nesou nekonečně energie a jsou tedy nefyzikální. Spíše jde o superpozici jednotlivých fotonů s různou energií s rozumnou obálkovou funkcí a tak lze zadefinovat „jednofotonový“ kreační operátor. Tolik ke společným znakům všech tří experimentů. Nyní pár detailů k tomu realizovanému vídeňskou skupinou.

První kroky ke globální QKD síti

Zvětšit obrázek

Obr.1: QKD mezi ostrovy Tenerife a La Palma.

Divácky asi nejatraktivnější je QKD uskutečněný volným prostorem mezi Kanárskými ostrovy Tenerife a La Palma na vzdálenost 144 km [obr1] (obrázek se vztahuje k experimentu konanému stejnou skupinou o něco dříve s entanglovanými páry, v zde popisovaném experimentu použili obyčejné laserové diody produkující výše zmíněné slabé koherentní pulsy). Alice s vysílacím teleskopem se nacházela na Nordic Optical Telescope na observatoři Roque de los Muchachos ve výšce 2400 m.n.m. Bob přijímal signál na Optical Ground Station patřící ESA s jednometrovým teleskopem [obr2].

Zvětšit obrázek

Obr.2: Jednometrový teleskop (Optical Ground Station, ESA)

Autoři implementovali automatický sledovací systém stavu atmosféry pro optimální nastavení parametrů přístrojů. Z obrázku je zřejmé, že pro přenos qubitů (kvantových bitů) bylo použito polarizační kódování s pasivní detekcí na Bobově straně. Finální rychlost generace klíče, t.j. po skončení klasického postprocessingu, dosáhla hodnoty 42 bitů/sec. Připomeňme, že QKD nemá v současnosti za cíl nahradit rychlé symetrické šifry, ale pouze bezpečně předat klíč pro další použití klasickou kryptografií. Na to je tato rychlost dostačující.

Nejcennějším výsledkem je kromě dosažené vzdálenosti fakt, že to je další krůček ke globálnímu QKD za pomocí nízko letících satelitů (LEO). Jejich výška začíná kolem 400 km, ale vzhledem k nějakému pevnému bodu na Zemi může být vzdálenost pochopitelně vyšší. Ačkoliv minimální vzdálenost je více než třikrát vyšší než u popisovaného experimentu, neznamená to nutně větší problémy s kvalitou přenosu. Největším nepřítelem QKD ve volném prostoru je totiž atmosféra s jevy jako absorpce a rozptyl světla a turbulence atmosféry (přenos v tomto experimentu probíhal na 850 nm, další vhodná vlnová délka je kolem 1550 nm). S rostoucí výškou (řekněme nad 10 km) tyto jevy přestávají být problémem.

Zvětšit obrázek

Obr.3: Zdroj fotonů na družici je pro bezpečnost QKD mezi vzdálenými místy výhodou

Návrhů na QKD mezi dvěma vzdálenými místy na Zemi je několik, ale z hlediska bezpečnosti je nejlepší, pokud je na družici umístěný zdroj entanglovaných párů výsílající po jednom fotonu k oběma místům na Zemi [ilustračně obr3 s ISS].
Dá se ukázat, že pokud má někdo k satelitu přístup, nemůže díky kvantové povaze entanglovaného páru distribuci klíče kompromitovat, resp. lze tomu zabránit na Aličině a Bobově straně (a není potřeba doposud technologicky nedosažitelné konstrukce kvantového opakovače). Pokud k tomu již neoficiálně nedošlo, lze podobné experimenty očekávat v příštích pěti letech. Technologie je již téměř připravená. Kromě, jistě pro leckoho lákavého bezpečného přenosu klíče mají tyto experimenty další cíle, kterými jsou např. opět o něco přesnější testy obecné teorie relativity či fundamentálních otázek kvantové mechaniky za pomocí “hraní si” s entanglovanými stavy v zakřiveném prostoročasu Země a/nebo na velkých vzdálenostních škálách.

Prameny:

ref0
DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.010503
DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.010504
DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.010505

ref1
http://www.nist.gov/public_affairs/releases/quantumkeys_background.htm
http://www.perimeterinstitute.ca/personal/dgottesman/QKD.html
http://www.r4k.net/Wth-slides-quantum_cryptography-an_introduction-screen.pdf
http://www.idquantique.com/products/files/vectis-understanding.pdf