Enkripsi kuantum berdimensi tinggi dilakukan dalam dunia nyata untuk pertama kalinya

Langkah krusial menuju enkripsi kuantum praktis melalui jaringan udara

sumber : The Optical Society

Untuk pertama kalinya, periset telah mengirim pesan kuantum-aman yang berisi lebih dari satu bit informasi per foton melalui udara di atas sebuah kota. Demonstrasi tersebut menunjukkan bahwa pada suatu hari nanti praktisi dapat menggunakan komunikasi kuantum berkapasitas tinggi dan bebas ruang untuk menciptakan hubungan yang sangat aman antara jaringan berbasis darat dan satelit, sebuah persyaratan untuk menciptakan jaringan enkripsi kuantum global.

Enkripsi kuantum menggunakan foton untuk mengkodekan informasi dalam bentuk bit kuantum. Dalam bentuknya yang paling sederhana, yang dikenal sebagai enkripsi 2D, masing-masing foton mengkodekan satu bit: salah satu atau nol. Para ilmuwan telah menunjukkan bahwa satu foton dapat mengkodekan lebih banyak informasi - sebuah konsep yang dikenal sebagai enkripsi kuantum berdimensi tinggi - namun sampai sekarang ini belum pernah ditunjukkan dengan komunikasi optik ruang bebas dalam kondisi dunia nyata. Dengan delapan bit yang diperlukan untuk mengkodekan hanya satu huruf, misalnya, mengemas lebih banyak informasi ke dalam setiap foton secara signifikan akan mempercepat transmisi data.

"Pekerjaan kami yang pertama  adalah mengirim pesan dengan cara yang aman menggunakan enkripsi kuantum berdimensi tinggi dalam kondisi kota yang realistis, termasuk turbulensi," kata tim peneliti, Ebrahim Karimi, Universitas Ottawa, Kanada. "Skema komunikasi aman dan bebas ruang yang kami tunjukkan berpotensi menghubungkan Bumi dengan satelit, dengan aman menghubungkan tempat-tempat yang terlalu mahal untuk memasang serat, atau digunakan untuk komunikasi terenkripsi dengan benda bergerak, seperti pesawat terbang."

Seperti yang dijelaskan di Optica, jurnal Optical Society untuk penelitian dengan dampak tinggi, para periset menunjukkan enkripsi kuantum 4D melalui jaringan optik ruang bebas yang mencakup dua bangunan 0,3 kilometer terpisah di Universitas Ottawa. Skema enkripsi berdimensi tinggi ini disebut sebagai 4D karena masing-masing foton mengkodekan dua bit informasi, yang menyediakan empat kemungkinan dari 01, 10, 00 atau 11.

Selain mengirimkan lebih banyak informasi per foton, enkripsi kuantum berdimensi tinggi juga dapat mentolerir lebih banyak suara yang mengaburkan sinyal sebelum transmisi menjadi tidak aman. Kebisingan bisa timbul dari udara yang bergejolak, elektronik yang gagal, detektor yang tidak bekerja dengan baik dan dari upaya untuk mencegat data. "Ambang kebisingan yang lebih tinggi ini berarti bahwa ketika enkripsi kuantum 2D gagal, Anda bisa mencoba menerapkan 4D karena pada prinsipnya lebih aman dan tahan noise," kata Karimi.

Menggunakan cahaya untuk enkripsi

Saat ini, algoritma matematis digunakan untuk mengenkripsi pesan teks, transaksi perbankan dan informasi kesehatan. Mencegat pesan terenkripsi ini memerlukan mencari tahu algoritma yang tepat yang digunakan untuk mengenkripsi data tertentu, sebuah prestasi yang sulit sekarang, namun diperkirakan akan menjadi lebih mudah dalam dekade berikutnya atau lebih karena komputer menjadi lebih Canggih 

Dengan harapan bahwa algoritma saat ini mungkin tidak berjalan dengan baik di masa depan, perhatian lebih diberikan pada teknik enkripsi yang lebih kuat seperti distribusi kunci kuantum, yang menggunakan sifat partikel cahaya yang dikenal sebagai negara kuantum untuk mengkodekan dan mengirim kunci yang diperlukan untuk mendekripsi yang dikodekan. data.

Meskipun enkripsi kuantum ruang bebas dan kabel telah digunakan di beberapa jaringan lokal kecil, yang menerapkannya secara global memerlukan pengiriman pesan terenkripsi antara stasiun berbasis darat dan jaringan komunikasi kuantum berbasis satelit yang akan menghubungkan kota dan negara. Tes horizontal melalui udara dapat digunakan untuk mensimulasikan sinyal pengiriman ke satelit, dengan sekitar tiga kilometer horizontal kira-kira sama dengan mengirim sinyal melalui atmosfer bumi ke satelit.

Sebelum mencoba tes tiga kilometer, para peneliti ingin melihat apakah mungkin melakukan enkripsi kuantum 4D di luar. Hal ini dianggap sangat menantang sehingga beberapa ilmuwan lain di lapangan mengatakan bahwa percobaan tersebut tidak akan berhasil. Salah satu masalah utama yang dihadapi selama percobaan ruang bebas adalah berurusan dengan turbulensi udara, yang mendistorsi sinyal optik.

Pengujian di dunia nyata

Untuk tes tersebut, para peneliti membawa setup optik laboratorium mereka ke dua atap yang berbeda dan menutupinya dengan kotak kayu untuk memberi perlindungan dari elemen. Setelah banyak trial and error, mereka berhasil mengirim pesan yang diamankan dengan enkripsi kuantum 4D melalui link intrabilitas mereka. Pesan tersebut menunjukkan tingkat kesalahan sebesar 11 persen, di bawah ambang batas 19 persen yang dibutuhkan untuk menjaga sambungan aman. Mereka juga membandingkan enkripsi 4D dengan 2D, dan menemukan bahwa, setelah koreksi kesalahan, mereka dapat mengirimkan informasi 1,6 kali lebih banyak per foton dengan enkripsi kuantum 4D, bahkan dengan turbulensi.


"Setelah membawa peralatan yang biasanya digunakan di lingkungan laboratorium yang bersih dan terisolasi ke atap yang terkena unsur-unsur dan tidak memiliki isolasi getaran, sangat bermanfaat untuk melihat hasil yang menunjukkan bahwa kita dapat mengirimkan data yang aman," kata Alicia Sit , Seorang mahasiswa S1 di laboratorium Karimi.

Sebagai langkah selanjutnya, para periset berencana untuk menerapkan skema mereka ke dalam jaringan yang mencakup tiga tautan yang berjarak sekitar 5,6 kilometer dan menggunakan teknologi yang dikenal sebagai optik adaptif untuk mengkompensasi turbulensi. Akhirnya, mereka ingin menghubungkan jaringan ini dengan jaringan yang ada sekarang di kota. "Tujuan jangka panjang kami adalah menerapkan jaringan komunikasi kuantum dengan banyak tautan namun menggunakan lebih dari empat dimensi saat mencoba mengatasi turbulensi," kata Sit