Зламати стане складніше. У Сінгапурі створили квантовий генератор із функцією самоперевірки

Цей винахід розв’язує давню проблему безпеки в системах цифрового шифрування, де випадкові числа є критично важливими для створення ключів кодування, захисту транзакцій та електронних підписів.

Більшість сучасних квантових генераторів працюють за так званою «моделлю довіреного пристрою». Вона передбачає, що лазери, модулятори та детектори бездоганно відповідають технічним характеристикам протягом усього терміну експлуатації. Проте якщо якийсь компонент зазнає несанкціонованого втручання або вийде з ладу, вихідні дані можуть стати передбачуваними, що загрожує непомітним зламом системи. Новий чип усуває цей ризик завдяки протоколу, що не залежить від вимірювального пристрою. Користувачам потрібно довіряти лише квантовим світловим сигналам, які надходять у систему, а не самому детектору. Під час роботи пристрій генерує відомі квантові стани світла і порівнює реакцію детектора з передбаченнями квантової теорії. Якщо результати збігаються, система трансформує дані в сертифіковані випадкові числа, а в разі найменшої розбіжності — автоматично зупиняє процес.

Дослідницька група під керівництвом доцента Чарльза Ліма об'єднала кодувальник сигналу та оптичний детектор на одному кремнієвому чипі. Його виготовили за допомогою стандартного технологічного процесу на базі 200-міліметрових (8-дюймових) пластин, який широко застосовується у напівпровідниковій промисловості. На відміну від багатьох інших квантових технологій, цей пристрій стабільно працює за кімнатної температури та не потребує складного криогенного охолодження. Вчені також розв’язали технічну проблему кремнієвих модуляторів світла, де зміна фази могла випадково змінити яскравість і зашкодити безпеці: команда впровадила метод керування, який компенсує цей ефект.

Під час випробувань детектор чипа досяг загальної ефективності у 69,1%, що перевищило мінімальну вимогу протоколу в 67%. Тести підтвердили, що система виробляє абсолютно нову випадковість, адже кількість згенерованих сертифікованих бітів перевищила обсяг вхідних даних. Аналіз безпеки пристрою базується на найгіршому сценарії, за якого зловмисник може мати квантові кореляції з самим детектором, що робить його найбільш захищеним чипом такого типу на сьогодні.

Найвища надійність наразі має свою ціну у швидкості дії. Експериментальна система генерує лише 64 біти на секунду, що значно повільніше за конвенційні квантові генератори, швидкість яких може перевищувати 100 гігабітів на секунду. Проте розробники впевнені, що продуктивність істотно зросте завдяки використанню досконаліших детекторів. Лабораторні фотодіоди команди вже досягли ефективності у 92,4%, а комп’ютерне моделювання показує, що майбутні версії мікросхеми зможуть забезпечити швидкість передачі даних до 68 мегабітів на секунду.

За словами доцента Чарльза Ліма, цей винахід відкриває прямий шлях до інтеграції практичних квантових генераторів із функцією самоперевірки у компактні та захищені комерційні системи.

Результати цієї передової наукової роботи були офіційно опубліковані в авторитетному фізичному журналі PRX Quantum.