Nieuwe kwantumtruc maakt versleutelde data letterlijk onkopieerbaar

Bijna alle digitale beveiliging, van internetbankieren tot een simpele online aankoop, steunt op één truc: de data wordt verstopt achter een wiskundig probleem dat een computer duizenden jaren zou kosten om op te lossen. Dat werkt goed, zolang niemand een machine bouwt die dat probleem wél snel kan kraken. Een krachtige kwantumcomputer zou die klus in potentie in een fractie van de tijd kunnen klaren. Daarom zoeken wetenschappers naar beveiliging die niet leunt op rekenkracht, maar op de natuurkunde zelf.

Kopiëren mag niet van de natuurkunde

Prabhanjan Ananth, verbonden aan de University of California Santa Barbara, en Amit Sahai van de University of California Los Angeles, presenteren in een nieuwe studie een methode die daarin verder gaat dan eerdere pogingen. Hun werk, nog niet formeel beoordeeld door vakgenoten, staat als preprint op arXiv onder de titel 'Unconditional Unclonable Encryption'. De kern van hun aanpak is de no-cloningstelling: een fundamentele regel uit de kwantummechanica die zegt dat het onmogelijk is om een onbekende kwantumtoestand exact te dupliceren. In de gewone digitale wereld kun je een bestand eindeloos kopiëren zonder kwaliteitsverlies. In de kwantumwereld ligt dat radicaal anders, en juist dat verschil vormt de basis van hun beveiliging.

De onderzoekers versleutelen een simpel bericht van één bit, dus een 0 of een 1, in een reeks kwantumtoestanden. Met een geheime digitale sleutel wordt dat ene bitje als het ware uitgesmeerd over die hele reeks. Alleen wie de sleutel bezit, kan door alle toestanden gezamenlijk te meten de oorspronkelijke 0 of 1 terugvinden.

Een aanval die zichzelf ondermijnt

Het systeem is speciaal ontworpen om een sluwe aanval te dwarsbomen: een indringer onderschept de versleutelde data en verdeelt die over twee handlangers, in de hoop dat een van hen later alsnog de sleutel bemachtigt. Bij gewone digitale bestanden zou zo'n truc kunnen werken. Bij deze kwantumversleuteling niet. Het opsplitsen van de data verstoort onvermijdelijk de kwantuminformatie erin, zelfs als de aanvallers voorzichtig te werk gaan. Krijgen beide handlangers de sleutel later alsnog in handen, dan kunnen ze het bericht niet betrouwbaar reconstrueren.

Ananth en Sahai berekenden dat hoe meer kwantumtoestanden ze aan hun versleuteling toevoegen, hoe dichter de kans dat beide aanvallers het bericht correct raden bij vijftig procent uitkomt, gelijk aan een kop-of-muntworp. Kun je niet beter gokken dan toeval, dan heeft de versleuteling zijn werk gedaan. Omdat deze bescherming exponentieel toeneemt met elke extra toestand, noemen de onderzoekers hun schema informatietheoretisch beveiligd: de veiligheid hangt niet af van hoe krachtig een aanvaller is, maar is wiskundig en natuurkundig gegarandeerd.

Praktisch alternatief voor trage systemen

Eerdere vormen van kwantumbeveiliging, zoals kwantumsleuteldistributie, bestaan al langer maar zijn vaak traag of lastig op te schalen naar praktisch gebruik. Ananth en Sahai stellen dat hun schema die beperkingen wegneemt en efficiënt genoeg is om ooit een reële rol te spelen naast, of in plaats van, de wiskundige encryptie van nu.