De beveiliging van onze computersystemen dwingt ons, scherp te blijven. Maar hoe zit het met de fysieke verbindingen, de glasvezels die de computers verbinden? Kan een hacker die het licht uit de glasvezel weet te vangen, simpelweg vertrouwelijke informatie onderscheppen of de verbinding overnemen? Niet als het aan onderzoekers van de Universiteit Twente (MESA+ Instituut) ligt. Zij ontwikkelden een beveiliging voor ‘multimode’ glasvezels. Die is gebaseerd op het quantumkarakter van licht, waarin een enkel foton een heel alfabet kan representeren. Ze publiceren erover in Optics Express, journal van The Optical Society.
Het merendeel van de glasvezelverbindingen, zeker op de lange afstand, is ‘single-mode’: ze hebben één manier waarop het licht in de vezel beweegt. Zou je erin kijken, dan staat het licht aan of uit. Wel kunnen ze tegelijk veel kleuren licht transporteren: veel kanalen en grote hoeveelheden data via één glasvezel. ‘Multi-mode’ glasvezels hebben een grotere diameter en transporteren verschillende golfvormen, voor nog grotere hoeveelheden data. Tot nu toe worden ze vooral voor kortere afstanden ingezet in bijvoorbeeld datacenters, maar zijn naar verwachting ook geschikt om de zendstations voor de 5G mobiele standaard te verbinden. Single-mode vezels zijn al te beveiligen door het quantumkarakter van licht te benutten, de UT-onderzoekers hebben nu ook een beveiliging voor multi-mode vezels ontwikkeld. Zou je in een dwarsdoorsnede kijken van de vezel, aan de kant van de ontvanger, dan is de plaats waar het licht binnenkomt doorslaggevend, én het gegeven dat een enkel foton meer informatie kan bevatten dan één bit.
Licht programmeren
Door de verschillende golfvormen, bestaat het licht in een multimode vezel, bij het bekijken van zo’n dwarsdoorsnede, al uit een patroon van spikkels met verschillende intensiteit: het is van nature al ‘gescrambeld’. Daar voegen de UT-onderzoekers nog een bewerking aan toe die ‘wave front shaping’ heet. De ontvanger kan vooraf een aantal ‘lichtpunten’ op de glasvezel definiëren waarop de informatie bij hem of haar moet binnenkomen. De afzender gaat het licht dan zodanig programmeren dat het precies op de juiste plek belandt.
Spiegeltje en camera
Op die manier heeft de ontvanger zelfs al genoeg aan één foton op de juiste plaats. Zijn de afspraken eenmaal gemaakt, dan wordt het eigenlijke signaal op deze unieke manier verstuurd. Onderweg het licht opvangen met een spiegeltje en een camera heeft geen zin: de hacker kan niets met het fotonenpatroon dat hij waarneemt op die plaats. Ook niet als hij of zij er vroeg bij is, aldus onderzoeksleider Pepijn Pinkse: “De fase dat zender en ontvanger afspraken maken, lijkt het kwetsbaarst. Maar ook dan blijft het onduidelijk hoe het licht wordt geprogrammeerd door de zender.” Een zelf geconstrueerd signaal naar de ontvanger sturen heeft ook geen zin: die zal het niet herkennen.
Credit card
De UT-onderzoekers hebben hiermee een nieuwe multidimensionale variant ontwikkeld op de bekende quantum key distribution (QKD) die bijvoorbeeld ook in single-mode vezels wordt toegepast. ‘Wave front shaping’ is een technologie die in de groep eerder is ontwikkeld om geprogrammeerd licht door een sterk verstrooiende stof heen te sturen, zoals witte verf. Hiermee is een onkraakbare creditcard nodig. De sterke verstrooiing in de verf heeft overeenkomsten met de scrambling van licht in een multimode vezel. De beveiligingsmethode is ook voorbereid op het doemscenario dat een quantumcomputer straks in staat is alle beveiligingsmaatregelen te kraken.
Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Complex Photonic Systems die deel uitmaakt van het MESA+ Instituut van de UT. Het paper ‘Quantum key establishment via a multimode fiber’ door Lyubov Amitonova, Tristan Tentrup, Ivo Vellekoop en Pepijn Pinkse, is verschenen in Optics Express.
Bron: UTwente
