Quantuminformatie is als een droom: je kunt er geen perfecte kopie van maken

De ‘https’ voor een website-url is een protocol dat zorgt voor een versleutelde verbinding tussen jou en die website, zodat niemand kan meekijken als je je adres invult bij een webshop. Nu is dat veilig. „Maar alles wat beveiligd is met https-techniek kan gebroken worden met een quantumcomputer”, vertelt informaticus Gilles Brassard van de Universiteit van Montreal. Dat geldt ook voor online banktransacties.

Als ze aankomen bij het Amsterdamse onderzoeksinstituut QuSoft, waar Brassard dit half jaar de Turing wisselleerstoel bezet, dragen ze beiden een soort beige vissershoed. Tijdens het gesprek blijkt dat ze niet alleen qua hoofddeksels op elkaar zijn ingespeeld. Ze vullen elkaar moeiteloos aan terwijl ze enthousiast vertellen over quantumcryptografie.

Hoe kwam u op het idee van quantumcryptografie?

CB: „Het begon met een idee van de vorig jaar overleden natuurkundige Stephen Wiesner. Hij bedacht ‘quantumgeld’, dat onmogelijk vervalst kon worden omdat het bestaat uit quantuminformatie in de vorm van fotonen [lichtdeeltjes]. Quantuminformatie verandert als je het probeert uit te lezen. Het is als de informatie in een droom – je kunt het niet aan anderen laten zien, en als je het probeert te beschrijven, verandert dat je herinnering eraan. Daardoor is het onmogelijk om een perfecte kopie te maken van quantuminformatie. Ik was enthousiast over Wiesners idee en deelde het met Gilles om het standpunt van een informaticus te horen. Zo begon onze samenwerking.”

GB: „We beseften dat je voor quantum-bankbiljetten fotonen moet opslaan en bewaren. Dat is ontzettend lastig. Fotonen zijn niet bedoeld om te worden opgeslagen, ze zijn bedoeld om te reizen. Daarom was het logischer om ze te gebruiken voor communicatie. Omdat ik cryptograaf ben ontstond het idee voor cryptografie met quantuminformatie.”

Hoe werkt BB84?

CB: „Als twee mensen – Alice en Bob – veilig willen communiceren, dan kunnen ze via cryptografie een geheime sleutel creëren. Alleen de ander kan de berichten ontcijferen en lezen. Bij BB84 gebruiken Alice en Bob quantumeigenschappen van fotonen om zo’n sleutel te maken. Ze gebruiken de polarisatie van fotonen. Dat heeft te maken met de ‘elektromagnetische trillingen’ waaruit lichtgolven bestaan. Die trillingen kunnen horizontaal/verticaal (0 en 90 graden) of diagonaal (45 en 135 graden) gepolariseerd zijn. Alice stuurt een reeks willekeurig gepolariseerde fotonen in een van de vier richtingen – 0, 90, 45, en 135 graden – naar Bob. Bob kiest per foton willekeurig om de horizontale/verticale of diagonale polarisatie te meten. Alleen als zijn uitleesmethode overeenkomt met de methode waarop Alice dat foton verstuurd heeft, weten ze zeker dat ze hetzelfde resultaat vinden. Om erachter te komen bij welke fotonen ze dezelfde informatie gemeten hebben, vertelt Bob openbaar welke meetmethode hij voor welk foton gebruikte. Alice laat dan weten welke metingen niet overeenkomen en dus weg kunnen. De rest zou dan hetzelfde moeten zijn, tenzij het signaal onderweg verstoord werd of iemand afluisterde. Dat afluisteren verandert namelijk de quantumtoestand van de fotonen, waardoor Alice en Bob niet meer hetzelfde zien, ondanks dat de methoden overeenkomen. Om dat te controleren vergelijken ze een aantal meetresultaten. Zijn er veel verschillen dan is alles afgeluisterd en beginnen ze opnieuw. Zijn er maar een paar verschillen dan weet de afluisteraar niet alles en is het mogelijk om via een slim protocol de fouten te corrigeren en daarna uit de resulterende, gedeeltelijk geheime sleutel een kleinere sleutel te maken, waarvan de afluisteraar bewijsbaar niets weet. Die sleutel kunnen ze gebruiken voor veilige communicatie.

Wordt dergelijke quantumcryptografie al gebruikt?

GB: „Jazeker, met name in China. Daar is een quantumverbinding aangelegd tussen Shanghai en Beijing. Die wordt ook serieus gebruikt. En ze hebben een satelliet om quantuminformatie over grotere afstanden te sturen dan mogelijk is met glasvezel. In 2017 vond tussen Beijing en Wenen het eerste videobelgesprek plaats dat beveiligd was met quantumcryptografie. Ook in Europa wordt er gewerkt aan een test met quantumcommunicatie-infrastructuur. En er zijn bedrijven die quantumcryptografie-systemen verkopen. Daarmee kan iedereen onderling een quantumsleutel uitwisselen om quantumbeveiligd informatie te versturen.”

Is dat al nodig? Er zijn immers nog geen grote quantumcomputers.

GB: „Hoe weet je dat? Het is mogelijk dat het ergens gelukt is om een quantumcomputer te bouwen, maar dat diegene het geheim houdt.”

CB: „Bijvoorbeeld om bankrekeningen te plunderen.”

GB: „Maar ook als er nog geen quantumcomputer is, dan moet je informatie die lang geheim moet blijven nu vast versleutelen met quantumcryptografie. Iemand kan namelijk nu alle versleuteld verstuurde informatie opslaan. Zodra er een quantumcomputer is, kan diegene alles ontcijferen en bekijken. Van het https-protocol weten we bijvoorbeeld dat een quantumcomputer het kan ontcijferen.”

CB: „Er bestaan beveiligingsmethoden waarvan het nog niet bewezen is dat een quantumcomputer ze kan kraken. Maar het is ook niet bewezen dat het onmogelijk is om ze te kraken, met een quantumcomputer of met een gewone computer.”

GB: „Het beste dat je kunt doen als je zeker wilt zijn dat je informatie veilig is en blijft, is quantumcryptografie. Als de wetten van de quantummechanica kloppen, dan is dat bewijsbaar veilig. Er kunnen wel loopholes ontstaan als de benodigde quantumapparatuur niet perfect is. Daarom kan het in de praktijk het beste zijn om gewone en quantumcryptografie te combineren om een superveilige sleutel te maken.”

Wat vindt u dan van de huidige ontwikkelingen in de quantumtechnologie?

CB: „Ik vind het mooi dat er zo veel onderzoek gedaan wordt naar quantum-hardware en -software. Het is een ontzettend ingewikkeld en belangrijk veld. Quantumcryptografie is maar een fractie van wat mogelijk is.”

GB: „Nederland is toonaangevend, zowel qua quantumsoftware – bij QuSoft, als qua quantumhardware – bij QuTech. Het zou wel eens het eerste land kunnen zijn met een nationaal quantuminternet. China werkt daar ook aan.” Lachend: „Maar Nederland kan eerder zijn, simpelweg omdat het een veel kleiner land is.”