Kwantumcryptografie,
de onkraakbare beveiliging?
Geheimschrift
gebaseerd op afzonderlijke fotonen komt steeds dichterbij - 03-01-2001
De
mysterieuze wereld van de kwantummechanica heeft niet alleen een revolutie
in de studie van subatomaire deeltjes en van de ruimte teweeg gebracht,
ook in de computerwereld veroorzaakte de theorie van het allerkleinste
grote schokken. Kwantumcomputing belooft nieuwe, veel krachtiger computers,
wat op zijn beurt de nood aan betere encryptie doet ontstaan.
Traditionele
encryptietechnieken bedreigd
In een tijdperk waarin informatie het nieuwe goud lijkt te worden,
wordt het steeds belangrijker de controle over die informatie te behouden.
Maar tegelijk wordt het steeds moeilijker te zorgen dat de gegevens
enkel terechtkomen bij de bedoelde ontvanger. Dankzij het internet
is het uitwisselen van boodschappen dan wel heel wat makkelijker geworden,
het gevaar dat luistervinken de informatie onderscheppen is niet denkbeeldig
en - dankzij spionagesystemen als Echelon - zelfs waarschijnlijk.
Een manier om de te versturen gegevens te beveiligen is encryptie,
waarbij de boodschap op basis van wiskundige algoritmes door elkaar
wordt gehaspeld. De hedendaagse encryptietechnieken vragen gigantisch
veel rekenkracht om te kraken, zodat men vrij zeker kan zijn dat de
data enkel gelezen wordt door diegenen die de juiste sleutel hebben
om de gecodeerde boodschap te achterhalen. Het enige probleem wordt
dan de sleutel te verzenden, iets wat opgelost werd door de ontwikkeling
van ‘publieke sleutel’ systemen. Daarbij kan een sleutel vrijgegeven
worden, zodat iedereen die dat wil een bericht kan coderen en verzenden,
maar kan enkel een private sleutel gebruikt worden om het bericht
te decoderen.
Rekenkracht kan de code in principe wel breken, in de praktijk leek
het echter zo goed als onmogelijk te zijn. Om sommige codes te breken
moeten getallen met 400 cijfers in factoren ontbonden worden, iets
wat zelfs met de krachtigste computers enkele duizenden jaren zou
kunnen duren.
Maar sinds informatici kwantummechanische inzichten zijn gaan gebruiken
om een toekomstige generatie computers te bedenken, zijn ook de meest
geavanceerde encryptietechnieken in gevaar. Daarvoor is de belofte
van de kwantumcomputing verantwoordelijk, waarmee veel sneller gefactoriseerd
kan worden en waardoor codes dus veel makkelijker kunnen worden gebroken.
Ook
de oplossing schuilt in de kwantummechanica
Kwantumcomputing is zo beloftevol door twee kwantummechanische principes:
superpositie en ‘entanglement’. Afzonderlijke of verbonden partikels
kunnen elke mogelijke toestand tegelijk aannemen, tot iemand ze probeert
te meten. Dat betekent dat een kwantumbit, doorgaans qubit genoemd,
door superpositie tegelijk 1 en 0 kan zijn, waardoor gelijktijdig
een groot aantal gegevens parallel bewerkt kunnen worden.
‘Entanglement’ is wat Einstein “spooky action at a distance” noemde,
waardoor aan elkaar gekoppelde deeltjes elkaar blijven beïnvloeden,
hoe ver ze ook van elkaar verwijderd zijn. Als het ene deeltje gemeten
wordt, is ook het andere bepaald, al bevindt het zich op lichtjaren
afstand. Dat schept mogelijkheden tot kwantumcommunicatie, de overdracht
van informatie aan oneindig hoge snelheden.
Maar deze ontwikkelingen brengen de hedendaagse encryptietechnieken
in gevaar, omdat zij door kwantumcomputers snel gekraakt zouden kunnen
worden. Gelukkig komen ook hier kwantummechanische principes een reddende
hand toesteken, met name het onzekerheidsbeginsel van Heisenberg.
Een voorbeeld, waarbij in de cryptografie traditioneel een zekere
Alice een boodschap naar Bob wil sturen, terwijl Eve probeert de gegevens
te onderscheppen, kan dit illustreren.
Stel dat Alice een reeks fotonen - lichtdeeltjes - naar Bob stuurt,
waarbij de polarisatie van elk foton de codesleutel vormt. Als Eve
nu de sleutel wil onderscheppen, zal ze toch minstens deze fotonenstroom
moeten observeren. Maar dan komt het onzekerheidsprincipe tussen,
dat stelt dat elke observatie de kwantummechanische toestand van deze
fotonen zal verstoren. Daarom kan Eve geen informatie over de sleutel
te weten komen zonder dat dit door Bob opgemerkt zal worden. Beveiliging
wordt dan gebaseerd op de wetten van de fysica, in plaats van op wiskundige
krachtpatserij.
Daaraan is wel een voorwaarde verbonden, want het moet om aparte fotonen
gaan. Als het om twee fotonen zou gaan, dan zou Eve een ‘straalsplitser’
kunnen gebruiken, waardoor een foton bij Eve terecht komt en een bij
een nietsvermoedende Bob.
Daarin schuilt meteen ook de moeilijkheid van kwantumcryptografie,
want het was tot voor kort onmogelijk met afzonderlijke fotonen aan
de slag te gaan. Volgens sommigen is dit het enige probleem waar deze
vorm van geheimschrift nog mee te kampen heeft. Als dat klopt, dan
is kwantumcryptografie weer wat minder science-fiction geworden, want
onderzoekers van de Universiteit van California, Santa Barbara, zijn
erin geslaagd een apparaat te ontwikkelen dat in staat is herhaaldelijk
aparte fotonen waar te nemen. Wat voorlopig nog niet lukt is het uitzenden
van fotonen op een vooraf bepaalde manier, maar door te sleutelen
met de vorm van het apparaat, dat er nu uitziet als een paddestoel,
zou dit probleem mogelijk verholpen kunnen worden.
Bovendien biedt het ook weer nieuwe mogelijkheden voor kwantumcomputing.
In dit veld concentreerde men zich vooral op de ‘spin’ van electronen
om een qubit te bepalen, maar de polarisatie van lichtdeeltjes biedt
een evenwaardig alternatief, zodat ook hier het apparaat van de Californische
universiteit mogelijkheden schept.
(DdV)
Related links:
kwantum
cryptografie
Het
cryptografisch alfabet
©
David de Vaal
