Ingenieurs van QuTech (een samenwerking tussen de TU Delft en TNO) kunnen met behulp van meetapparaatonafhankelijke (MDI) quantum-sleuteldistributie (QKD) zorgen voor onaftapbare communicatie, die voor meerdere gebruikers in kosten schaalbaar is. Een opmerkelijk neveneffect is dat de onaftapbare communicatie, over dezelfde glasvezelverbinding naast het conventionele internetverkeer plaats kan vinden. Dankzij KPN en Cisco kon een proefopstelling worden gemaakt die dit in de praktijk bracht. MDI-QKD is een belangrijke stap in de richting van een voor iedereen toegankelijk quantum internet.
Momenteel is beveiligde communicatie gebaseerd op het principe dat het breken van cryptografie met conventionele computers veel tijd kost. Zulke cryprografie wordt bijvoorbeeld toegepast bij communicatie tussen datacentra, intergouvernementele communicatie, of kritieke infrastructuur zoals banken, energiebedrijven en luchthavens. Bepaalde communicatielijnen vereisen geheimhouding op wettelijke gronden of vanuit de gebruiker. Een aanvaller zou deze berichten kunnen onderscheppen en ze later met veel tijd en rekenkracht kunnen ontcijferen. Computers worden steeds sneller — zeker met de naderende introductie van kwantumcomputers — en dat vormt een risico voor het versturen van versleutelde informatie.
Ultieme verdediging tegen afluisteren
Belangrijke, conventionele cryptografische methoden berusten op, bijvoorbeeld, een publieke en een private sleutel. Deze twee sleutels zijn in eigenlijk twee grote getallen die bij elkaar horen. De veiligheid is gebaseerd op het feit dat de private sleutel moeilijk en traag te berekenen is met alleen kennis van de publieke sleutel. Met de komst van zeer krachtige computers (zoals kwantumcomputers) is het berekenen van de private sleutel triviaal eenvoudig en dan wordt encryptie zinloos.
Een oplossing tegen afluisteren — nu en in de toekomst — is het gebruik van kwantum-sleuteldistributie (QKD). In de wereld van quantum verstoort het afluisteren van een bericht de transmissie van de quantumsleutel. Als de quantumsleutel wordt verstoord, weten de gebruikers dat ze die sleutel niet moeten gebruiken voor hun geheime communicatielijn. Zodra de quantumsleutel met succes is gedeeld met de beoogde ontvanger, is de rest van de beveiligde communicatie verzekerd van de zogenaamde 'forward secrecy': de zekerheid dat de sleuteldistributie, nu en in de toekomst, niet kan worden gekraakt.
De huidige commercieel beschikbare QKD-systemen zijn echter ingewikkeld om op te schalen. Om al deze problemen op te lossen, is een meetapparaatonafhankelijk (MDI) QKD-systeem gebouwd, waarbij meerdere gebruikers verbonden zijn via een centraal knooppunt, dat als een klassieke telefooncentraleoperator werkt. Bovendien hoeft het centrale knooppunt niet te worden vertrouwd. Het hele systeem is zo ontworpen dat hackaanvallen tegen het centrale knooppunt de beveiliging van het protocol niet kunnen breken.
Schaalbare quantumnetwerken
Een groot voordeel van het systeem, ten opzichte van andere QKD-systemen, is de kostenschaalbaarheid naar een groot aantal gebruikers. Dat is mogelijk omdat het MDI-QKD in een fysiek stervormig netwerk kan worden gebruikt. Onderzoekers bij QuTech hadden al de eerste proef-demonstratie van MDI-QKD uitgevoerd, de eerste demonstratie over ingezette vezels, en de eerste demonstratie met kosteneffectieve, off-the-shelf hardware.
Een ander groot voordeel wat voor de eerste keer gedemonstreerd wordt, is dat de kwantumsignalen over dezelfde vezel worden verzonden als conventioneel internetverkeer. Met behulp van standaardapparatuur, die de samenwerkingspartner Cisco heeft geleverd en heeft geconfigureerd, zijn twee gemultiplexte netwerken tussen de locaties opgezet, via dezelfde glasvezelverbinding. De aanwezigheid van deze twee netwerken heeft geen invloed op de prestaties van het quantum-systeem. Daarmee is aangetoond dat ze parallel, naast elkaar bestaan.
Demonstratie in Delft-Rijswijk-Den Haag
De huidige opstelling bestaat uit drie standaard telco-racks, elk in een andere stad in Nederland. De eerste 'gebruiker' die is aangesloten op de demo-opstelling, heeft de codenaam Alice en bevindt zich in Delft. De tweede gebruiker, Bob genaamd, zit in een KPN-gebouw in Den Haag. Het centrale knooppunt Charlie bevindt er zich tussenin. Elke gebruiker is met het centrale knooppunt verbonden via een standaard glasvezelkabel. Bovendien kunnen de gebruikers en het centrale knooppunt communiceren via het normale internet, hetzij rechtstreeks via de (zelfde) glasvezelverbinding, hetzij indirect via een willekeurige internetverbinding.
De introductie van MDI-QKD vormt een belangrijke stap naar het toekomstige quantum internet. Het netwerk is toekomstbestendig ontworpen. Dat wil zeggen dat gebruikers zoals Alice en Bob hun functionaliteit kunnen moderniseren (met bv. quantum-processoren, quantum-repeaters, quantum-verstrengeling, quantum-geheugen, quantum-computers, wat dan ook) terwijl het centrale knooppunt en de rest van het netwerk hetzelfde blijven. Het netwerk is klaar voor de toekomst en kan worden geüpgraded voor de quantum-toekomst.
Quantum Delta NL heeft in april van dit jaar EUR 615 miljoen subsidie ontvangen van de Nederlandse overheid.
