De belofte en dreiging van quantum encryptie zet wetenschappers, ict-bedrijven, onderzoekscentra en landen aan tot een race. Een Chinese satellietdoorbraak maakt het een wapenwedloop.
‘Crypto is dood, lang leve crypto’, zo betitelde KPN’s securitytopvrouw Jaya Baloo haar presentatie twee jaar terug voor een internationaal publiek. De door Nederland georganiseerde securityconferentie NCSC One was het podium waar de KPN-ciso waarschuwde voor wereldwijde surveillance en voor quantum computing. Specifiek: voor quantum encryptie.
Dubbelsnijdend
Één van de grote beloftes van quantum computing is dat het een geheel nieuwe soort encryptie kan opleveren: een versleuteling van data die praktisch onkraakbaar is. Tegelijkertijd zou quantum computing het kraken van huidige encryptie kinderspel maken. Tenminste, dat is de theoretische toekomst waar aan wordt gewerkt door vele verschillende soorten wetenschappers, wiskundigen en andere experts bij universiteiten, onderzoekscentra, ict-bedrijven klein en groot, plus overheidslaboratoria.
Baloo waarschuwde begin 2015 dat quantum encryptie tegen 2020 nodig is, om dan voorbereid te zijn op functionele quantumcomputers. De gedachte, van onder meer ETSI (het European Telecommunications Standards Institute), is dat reguliere encryptie dan niet langer te vertrouwen zal zijn. Post-quantum (of quantum-safe) cryptografie is benodigd, voor security op de langere termijn.
Dit wil niet zeggen dat gewone versleuteling voor iedereen kraakbaar wordt, want quantumcomputers lijken niet alleen nogal taakgericht te zijn maar ook extreem duur. De gespecialiseerde inzet plus torenhoge kosten van quantumsystemen zijn voorbehouden aan een handjevol grote partijen. Dit zijn dan gebruikers met specifieke behoefte en grote budgetten.
Doorbraak
‘De enigen die het zich waarschijnlijk kunnen veroorloven zijn de NSA, Google en China’, zei de KPN-ciso op NCSC One in Den Haag. Een recente doorbraak van China bekrachtigt Baloo’s woorden van twee jaar terug. Het theoretische van quantum encryptie is nu naar het praktische gebracht.
De Aziatische grootmacht heeft namelijk een succesvolle test gedaan met quantum versleutelde communicatie tussen een speciale satelliet en drie grondstations. Het hierbij gedekte bereik op de grond was wel 1203 kilometer. Dit is niet alleen de grootste afstand voor quantum verstrengeling die tot op heden is gedemonstreerd, het Chinese succes is ook de eerste bekende quantumcommunicatie met de ruimte.
De speciale satelliet van honderd miljoen dollar is in de zomer van 2016 gelanceerd. Aan boord is een complex systeem van spiegels, lasers en een speciaal kristal om paren van verstrengelde fotonen aan te maken. Deze lichtdeeltjes zijn door quantum principes met elkaar verbonden, ongeacht hun onderlinge afstand. De staat van de één wordt gespiegeld in de staat van de ander. Observatie alleen al zorgt voor verandering, die dus bij de andere helft van een verstrengeld paar gelijk ook optreedt.
Chinese onderzoekers hebben vorig jaar al een record behaald door zo’n verstrengeling te behouden over een afstand van 404 kilometer. Dit is gedaan met een speciale glasvezelverbinding van hoge kwaliteit. Dit jaar is de afstand verveelvoudigt en is de ruimte gehaald. De satelliet heeft de fotonen ‘omlaag gestraald’ naar ontvangende grondstations en zo een quantumcommunicatienetwerk tussen de aarde en een omloopbaan gecreëerd.
Licht en lucht
De satelliet die op vijfhonderd kilometer hoogte vliegt, heeft hiervoor een laser aan boord die zorgt voor de optische link met grondstations. Die ontvangers zijn drie speciale optische telescopen: in het Tibetaanse Delingha, en de noord-west Chinese plaatsen Lijiang en Nanshan. Daar komt de satelliet elke nacht snel over: het contactmoment is zo’n 275 seconden, schrijft vakblad New Scientist.
De downlink gebeurt bij elke overgang simultaan naar twee grondstations. Óf naar Delingha en Lijiang (die 1203 kilometer uit elkaar liggen) óf naar Delingha en Nanshan (die 1120 kilometer uit elkaar liggen). Hierbij is ook de storende invloed van de aardse atmosfeer overkomen.
Alledrie de grondstations hebben telescopen met speciale voorzieningen om storingen in de atmosfeer te meten en dan automatisch te compenseren voor die invloeden. Overigens bevindt het Tibetaanse grondstation zich op zo’n vier kilometer hoogte waardoor het minder last heeft van atmosferische storingen.
Quantum ruimterace
Het kristal aan boord van de satelliet kan zes miljoen paren van verstrengelde fotonen genereren per seconde. De ontvangers op de grond hebben daarvan één paar per seconde weten op te vangen. Toch is deze schijnbare slechte ratio al een baanbrekend resultaat en bewijs dat quantumcommunicatie praktisch realiseerbaar is.
De succesvolle quantumtest met satelliet en grondstations is het resultaat van bijna veertien jaar werk, verklaart professor Jian-Wei Pan, hoofdonderzoeker bij dit project. ‘Ik denk dat we een wereldwijde quantum ruimterace hebben gestart.’ Hij en zijn collega’s hebben hun doorbraak uiteengezet in een wetenschappelijk document in het Amerikaanse vakblad Science.
