Ett forskarteam från University of Toronto Engineering har upptäckt dolda flerdimensionella sidokanaler i befintliga kvantkommunikationsprotokoll.
De nya sidokanalerna uppstår i kvantkällor, som är de enheter som genererar de kvantpartiklar- typiskt fotoner – som används för att skicka säkra meddelanden. Upptäckten kan få viktiga konsekvenser för kvantsäkerhet.
”Det som gör kvantkommunikation säkrare än klassisk kommunikation är att den utnyttjar en egenskap hos kvantmekaniken som kallas konjugerade tillstånd”, säger doktoranden Amita Gnanapandithan, huvudförfattare till en artikel som publicerats i Physical Review Letters.
”Till exempel är position och momentum konjugerade variabler: När du mäter den ena stör du den andra. Om båda variablerna slumpmässigt väljs för kodning kommer den som försöker avlyssna meddelandet automatiskt att införa störningar som kan upptäckas av de parter som försöker kommunicera. På grund av kvantteoremet om kloning kan avlyssnaren inte heller skapa kopior av meddelandet för att avlyssna det.”
Men trots den inneboende säkerheten finns det fortfarande vissa sätt på vilka kvantkommunikation kan äventyras på grund av brister i de enheter som används för praktiska implementeringar.
Mellan 2000 och 2012 visade forskare att det kan uppstå sidokanaler på grund av hur kvantdetektorer fungerar. Dessa sidokanaler fungerar som kryphål och gör det möjligt för någon att lyssna på signalen utan att introducera en detekterbar störning.
För att åtgärda detta utvecklade professor Hoi-Kwong Lo och hans medarbetare 2012 ett nytt protokoll som kallas MDI-QKD (measurement-device-independent quantum key distribution). Protokollet kortsluter effektivt alla sidokanaler som är förknippade med kvantpartikeldetektorer.
Efter att ha tagit hand om detektorn började Gnanapandithan, som handleds av Lo och professor Li Qian, att leta efter potentiella sidokanaler som är kopplade till den andra änden av kommunikationen: källanheterna.
”Låt oss säga att du vill koda information baserat på hur ljuset som kommer från källan är polariserat, vilket vi kallar optisk polarisation”, säger Gnanapandithan.
”Du skulle använda två konjugerade polarisationsbaser för att utföra kodning, och helst skulle du vilja hålla din kodning inom polarisationens frihetsgrad. Man vill inte heller att den polarisationen ska vara korrelerad med någon annan frihetsgrad, för om den är det kan avlyssnaren mäta den andra för att få information om polarisationen.”
Idén att den kodande frihetsgraden är okorrelerad med andra frihetsgrader i optiska kvantkällor kallas för det dimensionella antagandet. Om man bryter mot detta antagande innebär det att meddelandet kanske inte är säkert.
I praktiken kan dagens kvantkällor ofta ge upphov till ett sådant brott, till exempel på grund av korrelationer mellan intilliggande signaler. Detta kallas för mönstereffekten och leder till att information om tidigare signaler läcker in i senare signaler.
Men i den senaste studien använde Gnanapandithan både teoretiska modeller och fysiska kvantkällor för att visa en ny källa till överträdelsen som inte hade beaktats tidigare.
”Vi visste att modulationsprocessen kan vara lite förvrängd, men det vi upptäckte var att modulationsprocessen också kan variera i tid, till och med inom samma signaloptiska puls”, säger Gnanapandithan.
”Vi gjorde den mycket subtila insikten att den här bristen faktiskt är ett brott mot det dimensionella antagandet. Därför kallar vi den här typen av fel för ”dold flerdimensionell modulering”, där tidsvarierande kodning bara är ett exempel.”
Hur stort problem dessa sidokanaler utgör beror på vilken typ av utrustning som används.
”Om utrustningen har en högre bandbredd kan man lägga på en modulationssignal på den optiska pulsen som gör att den kommer närmare det idealiska läget”, säger hon.
”Men om utrustningen har en mycket begränsad bandbredd kan modulationspulsen bli kraftigt förvrängd, vilket förvärrar problemet.
”Det finns också en ny typ av QKD-källa (Quantum Key Distribution) som har presenterats i litteraturen, en så kallad passiv QKD-källa. Passiva QKD-källor använder inte ens modulatorer, så dessa bandbreddsproblem skulle inte gälla.”
Lo säger att det framtida arbetet från hans team kommer att fokusera på möjliga sätt att mildra de nyupptäckta sidokanalerna.
”Vi kan vara kreativa och kanske hitta sätt att kringgå de här problemen”, säger han.
”Men som vi har lärt oss tidigare är det också möjligt att vår nya metod kan ge upphov till sina egna problem. Man vet aldrig hur många lager det kommer att finnas, men jag tror att det allra viktigaste första steget är att helt enkelt identifiera de problem som man måste ta itu med, och det är vad vi har gjort här.”
För mer information: Amita Gnanapandithan et al, Hidden Multidimensional Modulation Side Channels in Quantum Protocols, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.130802. På arXiv. DOI: 10.48550/arxiv.2404.14216
