Onderzoekers van de Universiteit Twente (MESA+ Instituut) hebben een beveiliging voor ‘multi-mode’ glasvezels ontwikkeld. Die beveiliging is gebaseerd op het quantumkarakter van licht, waarin een enkel foton een heel alfabet kan representeren. De onderzoekers publiceren erover in Optics Express, journal van The Optical Society, zo staat te lezen op de website van de universiteit.
Het onderzoek richt zich op de vraag hoe veilig de fysieke verbindingen zijn. Dit zijn de glasvezels die computers verbinden. Kan een hacker het licht uit de glasvezel vangen, en daarmee vertrouwelijke informatie onderscheppen of de verbinding overnemen? Niet dus, als het aan onderzoekers van de Universiteit Twente ligt.
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. Ze zijn echter 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, maar 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.
Door de verschillende golfvormen bestaat het licht in een multi-mode vezel, bij het bekijken van zo’n dwarsdoorsnede, al uit een patroon van spikkels met verschillende intensiteit. Het is van nature dus 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. Om te bereiken dat ‘Bob’ het licht precies op afgesproken plek binnenkrijgt, wordt het licht aan de kant van ‘Alice’ geprogrammeerd. ‘Eve’ die via een spiegeltje in de fiber kijkt, ziet een spikkelpatroon waar ze niets aan heeft.
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.
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 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.