Tirsdag 22. november 2022 kulminerte 20 års forskning da Danmarks første kvantekrypterte forbindelse ble opprettet mellom Københavns Universitet og Danmarks Tekniske Universitet.
Tirsdag 22. november 2022 kulminerte 20 års forskning da Danmarks første kvantekrypterte forbindelse ble opprettet mellom Københavns Universitet og Danmarks Tekniske Universitet.

Danske forskere temmer lyset og skaper sikker internett­­forbindelse

Lyspartikler har sust fra Østerbro til Lyngby i Danmarks første kvantesikrede nett-forbindelse.

«Er det hull gjennom?»

Natasha Friis Saxberg, direktør for IT-bransjen, står i et tettpakket laboratorium i kjelleren under Niels Bohr Institutet på Østerbro i København.

Hun er live på en videoforbindelse til Danmarks Tekniske Universitet (DTU) i Lyngby, der det bekreftes at forbindelsen er opprettet.

– Vi har altså etablert danmarkshistoriens første kvantekrypterte, og dermed fullstendig sikre, kommunikasjonsforbindelse mellom to ulike steder, forteller styreformann i Innovationsfonden, Anders Eldrup, som står i den andre enden av forbindelsen i et laboratorium ved DTU.

Mens de to partene snakker sammen på en vanlig videoforbindelse, blir lys sendt av sted mellom dem. Lyspartiklene – også kalt fotoner – blir sendt av sted fra Østerbro, og de suser gjennom en vanlig internettkabel.

Hvert foton foretar en reise på omkring 18 kilometer gjennom kabelen før det kommer fram til DTU i Lyngby. For en bil ville turen ta 20–25 minutter, men for lyset er reisetiden mye mindre enn et sekund.

Når fotonet ankommer Lyngby, leverer den en slags nøkkel som kan låse opp den krypteringen.

– Når man krypterer informasjon med enkeltfotoner – den fundamentale bestanddelen av lys – er kommunikasjonen helt trygg. Et foton kan ikke deles og dermed ikke avlyttes. Ethvert forsøk på å hacke forbindelsen vil bli oppdaget, sier hun.

Uhyggelig aktuell

Kvantekryptering stammer fra kvantefysikk. Teoretisk sett har det vært kjent i årevis at kvantefysikken åpner for en helt trygg kommunikasjon.

Men det er først nå teknologien kan flytte ut av laboratoriene og ut i samfunnet, forteller Leif Oxenløwe.

– Samfunnet blir mer og mer digitalt, og det har en lang rekke fordeler. Men det gjør oss også sårbare overfor angrep, sier Oxenløwe, som er professor ved DTU og har vært med på å utvikle teknologien.

Han påpeker at krigen mellom Russland og Ukraina har gjort kvantekryptering mer aktuelt.

– Hvis noen hacker seg inn og skrur av varme eller elektrisitet i hele landet, er vi jo virkelig i trøbbel. Spesielt nå som vi er på vei mot vinter. I Ukraina lider de virkelig fordi energiinfrastrukturen har blitt bombet. Men det kan også skje uten bomber. Med digitale angrep, sier Oxenløwe.

Kvante-hva-for-noe?

Kvantefysikk er en spesiell gren av fysikken som blant andre den danske fysikeren Niels Bohr har vært med på å grunnlegge.

Kvantefysikken åpner blant annet for å utvikle ekstremt kraftige datamaskiner, kjent som kvantedatamaskiner.

Men det åpner også for utvikling av kommunikasjon som er fullstendig sikret og ubrytelig for fiendtlige hackerangrep – såkalt kvantekryptering.

Kvantedatamaskin nødvendiggjør sikkerhet

Årsaken til at vi i stigende grad vil bli avhengige av å sikre viktige samfunnsinstitusjoner mot hackerangrep, er at vi i de siste årene har kommet nærmere å gjøre en annen kvantedrøm til virkelighet: den såkalte kvantedatamaskinen.

Kvantedatamaskinen er en slags superdatamaskin med en regnekraft som er helt overlegen i forhold til dagens klassiske datamaskiner.

– Den måten som vi krypterer selv vår sikreste kommunikasjon på i dag, kan i prinsippet brytes. Det krever bare at man har en veldig kraftig datamaskin, forklarer professor Michael Drewsen, som forsker på kvanteteknologi ved Aarhus Universitet.

– For våre nåværende datamaskiner vil det ta veldig lang tid å knekke en krypteringskode. Men når vi får kvantedatamaskiner, blir det lett å bryte slike koder, legger han til.

I takt med utviklingen av kvantedatamaskiner får vi altså større og større behov for å sikre kommunikasjonen vår med kvantekryptering, forklarer han.

Demonstrasjon av den kvantekrypterte forbindelsen i kjelleren ved Niels Bohr Institutet. Til venstre professor Peter Lodahl, som har stått i spissen for utviklingen av teknologien. Med ryggen til Natasha Friis Saxberg, direktør for IT-bransjen.
Demonstrasjon av den kvantekrypterte forbindelsen i kjelleren ved Niels Bohr Institutet. Til venstre professor Peter Lodahl, som har stått i spissen for utviklingen av teknologien. Med ryggen til Natasha Friis Saxberg, direktør for IT-bransjen.

Et hackerangrep fra DTU

I kjelleren under Niels Bohr Institutet går skjermen plutselig i svart.

Den krypterte forbindelsen er brutt, og selv om det var varslet, går det et lite gisp gjennom forsamlingen.

– Avlytting oppdaget, står der med røde bokstaver på skjermen.

Det er en ph.d.-student ved DTU som har forsøkt å hacke seg inn på forbindelsen. Det iscenesatte «angrepet» blir imidlertid umiddelbart oppdaget, og forbindelsen stenges ned.

– Det spesielle ved en kvantekryptert forbindelse er at man er sikret mot at noen bryter seg inn og avlytter forbindelsen. Det er umulig å bryte seg inn og stjele et foton uten at mottakeren umiddelbart vil oppdage det, forklarer professor Michael Drewsen.

20 års forskning bak

Demonstrasjonen er basert på nesten 20 år med forskning, ledet av professor Peter Lodahl.

Da han begynte prosjektet, var det bare en teoretisk idé.

I første omgang måtte Lodahl finne en metode til å temme lyset; de ville fotonene som suser av sted med en hastighet på opptil 300.000 kilometer i sekundet.

– Alt sammen begynte med grunnleggende fysikk. Hvordan skaper man et foton? Du må få tak i en helt unik lyskilde hvis den bare skal sende ut ett foton av gangen, sier Lodahl, som er professor i kvantefysikk ved Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.

Niels Bohrs atommodell – som du kanskje har hørt om fra skolen – kunne gi Lodahl naturens oppskrift på hvordan man skaper lys: I denne modellen blir det sendt ut en enkelt lyspartikkel – et foton – når et atom mister energi. Eller rettere sagt; når atomet går fra en høy til en lav energitilstand.

– I Bohrs atommodell kan et foton sendes ut i alle retninger og på vilkårlige tidspunkt. Så vi måtte finne en måte å kontrollere prosessen på, sier Lodahl.

Kvantekryptering

Det finnes flere ulike metoder for kvantekryptering, med ulike fordeler og ulemper.

Peter Lodahls forskningsgruppe har utviklet en teknologi som er basert på å sende enkeltfotoner (lys).

– Det er en slags Rolls-Royce innen kvantekryptering og den sikreste metoden. Men den er også dyr, forklarer Peter Lodahl.

Tidligere i år kunne en forskningsgruppe fra DTU Fysik demonstrere en annen kvantekryptert teknologi som ble brukt til dataoverføring internt i Danske Bank.

Den siste demonstrasjonen av en kvantesikret dataoverføring er imidlertid den første i Danmark som foregår over flere kilometer og samtidig den første med en enkeltfoton-kilde.


Kilder: Peter Lodahl og Leif Oxenløwe

Iskald løsning

Løsningen som Lodahl og kollegene hans har kommet fram til, er å «temme» lyset i en optisk chip. En liten dings som blant annet fryses ned til utrolig lave temperaturer. Deretter kan det sendes ut ett foton av gangen.

– I dag kan vi trykke på en knapp og sende ut ett foton når vi vil, forteller Lodahl. Han legger til det skjer med den høyeste effektiviteten som er oppnådd i verden.

– Kort fortalt har vi gjennom de siste 20 årene klart å utvikle verdens beste en-foton-kilde, sier han.

Michael Drewsen enig i at dette er verdensledende forskning.

– Det er med på å sette Danmark på verdenskartet. Og nå har det kommet til et punkt der det snart kan bli brukt utenfor laboratoriene, sier Drewsen.

Lodahls teknologi er i dag patentert, og han har etablert en startupbedrift – Sparrow Quantum – som skal bringe teknologien ut i samfunnet.

20 års grunnforskning ligger bak demonstrasjonen av kvantekryptering. Professor Lodahl og kollegene hans bruker optiske databrikker med «design-atomer» til å kontrollere ett foton av gangen.
20 års grunnforskning ligger bak demonstrasjonen av kvantekryptering. Professor Lodahl og kollegene hans bruker optiske databrikker med «design-atomer» til å kontrollere ett foton av gangen.

En verdensnyhet fra Danmark

Selv om demonstrasjonen er en verdensnyhet i forhold til den danske kvantekrypteringen, er det slett ikke første gang en kvantesikret forbindelse blir etablert. Flere steder i utlandet har forskere gjennomført lignende demonstrasjoner, men med andre metoder for kvantekryptering.

– I Danmark har vi kommet litt sent i gang, sier professor Leif Oxenløwe.

– Men nå kan vi demonstrere en verdensnyhet. Det er første gang en enkeltfoton-kilde er så robust, legger han til.

IT-bransjen har høye forventninger til kvanteteknologien, som kan skape nye arbeidsplasser i danske bedrifter. Direktør Natasha Friis Saxberg mener kvanteteknologien kan bli lønnsom.

– Jeg ikke vi har fantasi til å forestille oss hvordan teknologien vil utvikle seg og påvirke samfunnet, sier hun.

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no. Les originalsaken på videnskab.dk her.

Vi vil gjerne høre fra deg!

TA KONTAKT HER
Har du en tilbakemelding, spørsmål, ros eller kritikk? Eller tips om noe vi bør skrive om?

Powered by Labrador CMS