19:15 uur 08-02-2021

Terra Quantum maakt elektronisch verzonden communicatie onbreekbaar na onthulling van zwakte in ‘post-kwantumcryptografie’

Terra Quantum biedt een onbreekbaar, door Boltzmann-Planck beschermd supersnel protocol voor veilige informatieoverdracht

  • Baanbrekend technologiebedrijf Terra Quantum heeft een zwakte ontdekt in ‘post-kwantumcryptografie’, de set van cryptografische systemen die communicatieprotocollen en netwerken beveiligen tegen kwantumcomputers.
  • De ontdekte kwetsbaarheid zou het in de toekomst onmogelijk maken om de meest vertrouwelijke gegevens te beschermen tegen hackers.
  • Terra Quantum heeft een innovatieve aanpak ontwikkeld die onbreekbare informatieoverdracht mogelijk maakt op basis van de supersnelle kwantumsleutelverdeling.

ZÜRICH–(BUSINESS WIRE)– Terra Quantum AG, een van de toonaangevende pioniers op het gebied van kwantumtechnologie in Europa, heeft vandaag details van onderzoek aangekondigd die het huidige begrip van onbreekbare en toekomstbestendige gegevenscodering op zijn kop zetten. De doorbraak van de Terra Quantum beveiligt de meest kritische communicatie, zoals berichten met hoge privacy, gegevens over online bankieren en vertrouwelijke communicatie tussen internationale organisaties.

Markus Pflitsch, oprichter en CEO van Terra Quantum, verklaarde: “Met een informatiesamenleving die een steeds grotere hoeveelheid persoonlijke gegevens via openbare kanalen overdraagt, is informatiebeveiliging een opkomende wereldwijde uitdaging. Daarom is de bescherming van vertrouwelijke gegevens een enorm conflict.

Onze baanbrekende resultaten tonen de kwetsbaarheid van bestaande post-kwantumversleutelingsschema’s aan. Geïnspireerd door de eis om de ontdekte zwakke plek te verbeteren, hebben we de supersnelle sleuteldistributiemethode via de optische vezel ontwikkeld.”

Wat is post-kwantumcryptografie?

Het overheersende gevoel is dat het nog maar een paar jaar zal duren voordat de volgende grote vooruitgang in rekenkracht – quantum computing – gerealiseerd wordt. En wanneer kwantumcomputers beschikbaar komen, zullen de vroegere technieken voor het beveiligen van gegevens door middel van versleuteling dus breekbaar worden.

Post-kwantumcryptografie is de reeks methoden om de bescherming van gegevens naar de standaarden te tillen die nodig zijn voor een toekomstige technologieomgeving waarin hackers toegang hebben tot kwantumcomputers. Een van de meest populaire is de Advanced Encryption Standard (AES), gebouwd om aanvallen van kwantumcomputers te weerstaan. Post-kwantumcryptografie is de gouden standaard geworden voor organisaties die streven naar langdurige bescherming van hun gegevens.

Wat heeft Terra Quantum ontdekt?

Terra Quantum realiseerde zich dat de AES redelijk veilig is tegen reeds geïdentificeerde algoritmen, maar schijnbaar onbeschermd lijkt tegen opkomende bedreigingen. Om de verdediging op te bouwen, ging Terra Quantum op zoek naar een zwakte door de AES te testen tegen nieuwe algoritmen. Terra Quantum ontdekte een zwakte in het message-digest-algoritme MD5. Het Terra Quantum-team kwam erachter dat men een algoritme kan kraken met behulp van een ‘quantum annealer’ met ongeveer 20.000 qubits. Een dergelijke annealer bestaat tegenwoordig niet, en hoewel het onmogelijk is te voorspellen wanneer deze wordt gemaakt, is het denkbaar dat een dergelijke annealer in de toekomst beschikbaar zou kunnen komen voor hackers. Daarom heeft Terra Quantum de groeiende mogelijkheden aangetoond voor een inversie van de brede klasse van cryptografische hash-functies (de hash-functie is de functie die een lange reeks bits onomkeerbaar omzet in een enkel klein getal) zoals MD5 of AES. Hiermee onthult Terra Quantum de kwetsbaarheid van bestaande post-kwantumversleutelingsschema’s.

Wat is de oplossing?

Het protocol heet ‘de supersnelle, door Boltzmann-Planck beschermde veilige informatieoverdracht’. Het cruciale onderdeel van het voorgestelde protocol is de verandering van het beveiligingsparadigma op basis van kwantumonomkeerbaarheid. De CTO’s van Terra Quantum, de professoren Gordey Lesovik en Valerii Vinokur, stelden: “Een nieuw protocol komt voort uit het idee dat Quantum Demon een klein beest is. De standaardaanpak maakt gebruik van het concept dat de Demon die is ingehuurd door een afluisteraar (Eva) een King Kong-achtig honderd kilometer groot monster is dat met succes alle transmissielijnverliezen kan gebruiken om de communicatie te ontcijferen. Maar aangezien echte Quantum Demons klein zijn, moet Eva een leger van een miljard rekruteren om met succes alle verspreide golven op te vangen die lekken uit de optische vezel die ze nodig heeft voor een efficiënte ontcijfering. Terra Quantum stelt een innovatieve techniek voor die gebruik maakt van het feit dat zo’n leger niet kan bestaan – in overeenstemming met de tweede wet van de thermodynamica.”

De mogelijkheid van lokale herroutering van het deel van het uitgezonden signaal blijft bestaan. Deze lokale verliezen kunnen echter met grote nauwkeurigheid worden beheerst en klein worden gehouden. Bovendien beperkt de kwantum-aard van het licht de informatie die beschikbaar is voor een afluisteraar. Daarom is het verzonden signaal van Terra Quantum veilig.

Wetenschappelijke bijlage

Het protocol in detail

Het obstakel van optische vezelverliezen

Signaalvoortplanting in optische vezels

Planck-bescherming

+++

Het protocol in detail

De geschiedenis van de non-stop competitie tussen cryptograaf en ontcijferaars gaat terug tot de eeuwen van de grot en heeft voor beide partijen vele overwinningen gekend. Terra Quantum baseert zijn oplossing op het cijfer van Vernon, het zogenaamde ‘one-time pad’, waarvan Claude Shannon heeft bewezen dat het onbreekbaar is. Terra Quantum introduceert de supersnelle kwantumsleutelverdeling, waarmee een praktische realisatie van deze procedure wordt bewerkstelligd in de context van de moderne supersnelle informatieservice. Het innovatieve Terra Quantum-protocol, de supersnelle, door Boltzmann-Planck beschermde veilige informatieoverdracht, maakt de elektronisch verzonden communicatie in principe onbreekbaar. Het cruciale onderdeel van het voorgestelde protocol is de verandering van het beveiligingsparadigma op basis van kwantumonomkeerbaarheid. De standaardbenadering maakt gebruik van het concept dat een afluisteraar (Eva) alle transmissielijnverliezen met succes kan gebruiken om de communicatie te ontcijferen. Het leeuwendeel van de verliezen treedt echter op als gevolg van verstrooiing van de kleine onvolkomenheden (die onvermijdelijk optreden tijdens de fabricage) van een signaal dat zich door de optische vezel voortplant. De omkering van de verstrooide golven die nodig is voor de efficiënte ontcijfering is vergelijkbaar met het beroemde tijdomkeerprobleem; niet haalbaar voor het uitgebreide vezel met miljarden verstrooiers per kilometer. Ons paradigma biedt een universele benadering om de efficiëntie van elk bestaand kwantumprotocol kritisch te verbeteren. De innovatieve voorgestelde techniek stelt ons in staat om het kwantumruisbeschermde protocol te ontwikkelen om veilig gecodeerde informatie het snelst te verspreiden.

Het obstakel van optische vezelverliezen

De optische vezelverliezen blijven het belangrijkste obstakel voor verdere vooruitgang in de efficiëntie van informatieoverdracht, zowel in klassieke als kwantumgevallen. Terra Quantum stapt in de bres door op te merken dat de conventionele benadering van kwantumcommunicatie tweemaal onder vuur ligt. Ten eerste schaden de verliezen zelf de efficiëntie. Ten tweede lijkt de algemeen aanvaarde overtuiging dat een afluisteraar het verloren signaal efficiënt kan ontcijferen niet helemaal waar.

Om dat aan te tonen inspecteren we een transmissielijn van een kilometer lang. Afgeleid van de leksnelheid gaan we ervan uit dat de initiële puls honderd miljoen fotonen bevat voor de 1 seconde per lengte-eenheid van de transmissielijn en ontdekken we dat de echte lekkage langs de lijn ongeveer 4% uitmaakt. Als Eva deze hoeveelheid informatie uit de lokale bron had kunnen gebruiken, zou dat een aanzienlijke hoeveelheid hebben geleken. Het verzamelen van de resulterende golven met ongeveer een miljoen fotonen die zijn verstrooid door de miljard verstrooiers, vereist echter een onrealistisch Maxwell Demon-achtig apparaat van een kilometer lang. Zelfs het verzamelen van resulterende golven met 10.000 fotonen verstrooid uit de 100.000 verstrooiers door een Maxwell Demon-achtig apparaat van een meter lang lijkt extreem uitdagend, als het al mogelijk is. Toch zou de informatiewinst slechts 0,04% bedragen. Deze hoeveelheid gelekte informatie kan eenvoudig worden gecompenseerd door nabewerking door Alice en Bob.

Signaalvoortplanting in optische vezels

De signaalvoortplanting in de optische vezel is in niet geringe mate vergelijkbaar met de evolutie van het ensemble van deeltjes dat verstrooiing ondervindt op het gequenchte storingspotentieel beschreven door de kinetische vergelijking, waarbij de klassieke Boltzmann-vergelijking wordt veralgemeniseerd. Dit impliceert dat de dynamiek van de deeltjes gepaard gaat met de entropiegroei en daarom onomkeerbaar is, zoals uitgedrukt door de tweede wet van de thermodynamica. De belangrijkste implicatie van onomkeerbaarheid is dat Eva geen bruikbare informatie kan verzamelen uit de verstrooiing. De mogelijkheid van lokale herroutering van het deel van het uitgezonden signaal blijft echter bestaan. Fysiek kan dit worden gerealiseerd door bijvoorbeeld een lokale buiging van de vezel, wat leidt tot vermenging van de primaire voortplantingsmodus met de lekmodi van hogere orde. Dit maakt het op zijn beurt mogelijk om de informatie af te luisteren die door de hoofdmodus wordt gedragen. Als het signaal klassiek was geweest, zou dit ‘buigen’ voor Eva onbeperkte toegang hebben opgeleverd tot de volledige inhoud van het bericht. Volgens het principe van Planck wordt elektromagnetische straling echter gekwantiseerd; daarom is het elektromagnetische signaal een opeenvolging van deeltjes, de fotonen. Als het beginsignaal dus gemiddeld N fotonen bevat en de lokale lekkage wordt gekwantificeerd door transparantie, komt slechts een klein deel van het signaal, TN (T staat voor de transparantie van de lokale lekkage) bij Eva. Bovendien ervaart deze fractie onvermijdelijke fundamentele kwantumfluctuaties die verband houden met alternatieve kwantumkeuze evenredig met TN. Dienovereenkomstig neemt de relatieve fractie van de fluctuaties toe als 1/TN met het afnemende aantal fotonen en transparantie. Dit houdt in dat als Eva slechts een klein deel van het signaal ontvangt, het effectief ontcijferbaar wordt, de eigenschap die we ‘Planck-bescherming’ van de informatieoverdracht noemen. De zogenaamde door kwantumruis bschermde cryptografie maakt gebruik van een vergelijkbare eigenschap.

Planck-bescherming

Het algemene principe van Planck-bescherming stelt ons in staat om de hele efficiëntie van de transmissielijn te regelen via de lokale lektransparantie. Het implementeren van deze controle vereist een zorgvuldige studie van de toestand van de optische vezel en de opkomende verstrooiingsmatrix die kan worden bereikt met standaard telecomtechnologiemethoden, met name met behulp van de optische tijddomeinreflectometrie. We stellen een nieuwe controlemethode voor optische vezels voor op basis van de directe meting van de signaalvoortplanting van Alice naar Bob. De nauwkeurigheid van de effectieve controle van de lektransparantie is zo hoog als enkele procenten voor de meetduur van één ns. Het wordt zelfs nog hoger voor uitgebreidere metingen. De innovatieve doorbraak is dat het voorgestelde schema ons in staat stelt om het signaal versleuteld door de onbreekbare ‘one-time pads’ over te dragen met een enorme snelheid die vergelijkbaar is met de beste snelheden die worden bereikt door telecommunicatie.

+++

EINDE

Over Terra Quantum

TERRA QUANTUM is een in Zwitserland gevestigde deep-tech incubator die zich richt op kwantumtechnologietoepassingen, opgericht in 2019 onder leiding van Senior Finance Manager en voormalig CERN-kwantumfysicus Markus Pflitsch, en wordt ondersteund door Europa’s toonaangevende VC-firma Lakestar. Het bedrijf ontwikkelt een portfolio van toonaangevende kwantumtoepassingen, waaronder hardwarecomponenten voor kwantumcomputers, kwantumcommunicatie en cryptografieoplossingen, en is buitengewoon actief in het ontwerpen van kwantumalgoritmen voor alle soorten beschikbare kwantummachines die in verschillende industrieën kunnen worden toegepast. Bezoek ons op LinkedIn en ga naar onze website.

– Einde –

Deze bekendmaking is officieel geldend in de originele brontaal. Vertalingen zijn slechts als leeshulp bedoeld en moeten worden vergeleken met de tekst in de brontaal, die als enige rechtsgeldig is.

Contacts

Contactpersoon voor de pers
Victoria Jodl

E-mail: Victoria.jodl@kekstcnc.com
Tel.: +49 152 52423959

Check out our twitter: @NewsNovumpr