Betrouwbare beveiliging voor de toekomstige kwantumwereld

De term ‘kwantumtechnologie’ roept verschillende reacties op, afhankelijk van met wie je praat. Vakmensen beschouwen het misschien als coole technologie, terwijl mensen buiten het vakgebied en het grote publiek zich zorgen maken over wat de gevolgen zouden kunnen zijn van de kwantumtoekomst.

Kwantumtechnologie is een spannend gebied vol mogelijkheden, maar er is ook veel onbekend. Dat maakt het zo interessant en uitdagend.

Voor Sharon Dolmans, Assistant Professor bij de faculteit Industrial Engineering and Innovation Sciences aan de TU/e, betekent de term kwantumtechnologie iets anders. "Het is een spannend gebied vol mogelijkheden, maar er is ook veel onbekend. Dat maakt het zo interessant en uitdagend. Veel deskundigen op het gebied van kwantumtechnologie tasten nog in het duister over de toepassingen ervan. Wat dat betreft zijn het grote publiek en wetenschappelijke experts het dus gedeeltelijk eens."

Deze potentiële maatschappelijke impact is ook wat kwantumtechnologie zo fascinerend maakt voor Dolmans, die een PhD heeft in Technology Commercialization en een achtergrond in het bedrijfsleven en de financiële wereld. "Ik werk graag op het snijvlak van degenen die de technologie ontwikkelen en degenen in de samenleving die de technologie uiteindelijk zullen gebruiken. Het is een technologie met veel potentieel, maar we zijn nog ver verwijderd van het gebruik ervan in ons dagelijks leven."

Gebruikers van kwantumtechnologie

Maar wat is kwantumtechnologie? Kwantumtechnologie kan in drie categorieën worden ingedeeld. Ten eerste is er het gebruik van kwantumcomputers voor supercomplexe berekeningen. Ten tweede is er kwantumcommunicatie voor ultraveilige communicatie. En de derde categorie heeft betrekking op kwantumdetectie, waarbij het gaat om sensoren die de kleinste fluctuaties kunnen detecteren. Deze sensoren zouden nuttig zijn bij navigatie en bij het opsporen van anomalieën onder de grond die mogelijk een verband hebben met aardbevingen.  

Met zulke uiteenlopende toepassingen betekent dit dat de eerste regelmatige gebruikers van kwantumtechnologieën in de samenleving ook heel gevarieerd zullen zijn. "De eerste gebruikers zijn natuurlijk wetenschappers en onderzoekers, zij zijn degenen die de technologieën ontwikkelen en vervolgens toepassen op verschillende gebieden zoals materiaalwetenschap, chemische technologie en numerieke simulaties."

Maar zoals Dolmans uitlegt is er verderop in de keten een overvloed aan maatschappelijke actoren (zoals grote bedrijven, kleine ondernemingen en burgers) die kwantuminfrastructuur in de toekomst zullen implementeren en managen. "Allerlei sectoren zullen zich in de toekomst tot kwantumtechnologie wenden, zoals de gezondheidszorg, de farmaceutische industrie, de energiesector, de logistieke en automotive sector, de financiële sector en defensie. Ook burgers en de samenleving als geheel zullen gebruikers zijn."

‘Must have’ versus ‘nice to have’

Kwantumtechnologie zal veel potentiële toepassingen hebben, maar Dolmans benadrukt dat deze toepassingen ofwel in de categorie 'must have' kunnen vallen, ofwel in de categorie 'nice to have'. "Vanuit het perspectief van ‘nice to have’ zal kwantumtechnologie een reeks industrieën verbeteren, terwijl het ook zal leiden tot de oprichting van nieuwe soorten industrieën. Het is een stap in het opwindende onbekende. Kwantumtechnologie zal misschien niet in wasmachines worden gebruikt, maar het zal helpen om moeilijke numerieke problemen op te lossen waar onze huidige computers eonen over doen. Kwantumcomputers zullen onze huidige systemen aanvullen in plaats van vervangen."

De komst van de kwantumcomputer zal een bedreiging vormen voor de veiligheid van de samenleving.

Maar het zijn de 'must have'-toepassingen die Dolmans hoog op de agenda heeft staan. Terecht, want deze toepassingen kunnen het leven van iedereen in de samenleving beïnvloeden. "De komst van de kwantumcomputer zal een bedreiging vormen voor de veiligheid van de samenleving. Plotseling zullen we computers hebben die krachtig genoeg zijn om gemakkelijk de huidige informatiesystemen te hacken - dezelfde informatiesystemen die we gebruiken om gevoelige informatie te communiceren in de gezondheidszorg, de energiesector, de financiële sector en de defensiesector. In deze sectoren hebben we niet de luxe om af te wachten wat er gebeurt. Hier moeten technologiedeskundigen en maatschappelijke actoren nu gezamenlijk actie ondernemen om massale beveiligingslekken in de toekomst te voorkomen."

Sommige kwaadwillende partijen hanteren bijvoorbeeld een aanpak die bekend staat als ‘nu opslaan, later ontsleutelen’. Met andere woorden: deze partijen slaan versleutelde privégegevens op die zij hebben onderschept tussen communicerende partijen. Deze partijen hebben niet de encryptiesleutels om de gegevens te lezen. In plaats daarvan zullen ze deze gegevens ontcijferen met behulp van een kwantumcomputer zodra deze beschikbaar is. "Met deze potentiële bedreiging van onze privégegevens is er een dringende noodzaak dat we nu actie ondernemen", merkt Dolmans op.

Een andere 'nice to have' is de ontwikkeling van oplossingen voor en met organisaties in de samenleving. "Dit zou ze nuttiger en effectiever maken, omdat de oplossingen niet geïsoleerd worden ontwikkeld, maar op basis van de behoeften van potentiële eindgebruikers."

Het financieren van oplossingen

Dolmans is nu goed uitgerust om deze urgentie aan te pakken dankzij recente financiering uit het programma Maatschappelijke impact van kwantumtechnologie van de Nationale Wetenschapsagenda (NWA). In een project dat bekend staat als Fieldlab Quantum Cryptograph Solutions for Safe Safety, kortweg FIQCS, zal Dolmans optreden als projectcoördinator. Met haar medewerkers zal zij proberen om in samenwerking met maatschappelijke stakeholders hoogwaardige beveiligingsoplossingen in de kwantumcryptografie te ontwikkelen die maatschappijbreed worden geaccepteerd, geïmplementeerd en vertrouwd.

"Naast de TU/e zullen bij FIQCS ook TNO, medefinancieringsorganisaties Effect Photonics, IDquantique en Single Quantum betrokken zijn, en wordt ernaar gestreefd om belangrijke relevante maatschappelijke stakeholders zoals banken, autobedrijven en defensieorganisaties te betrekken. Op de TU/e zal ik nauw samenwerken met zowel Chigo Okonkwo als Idelfonso Tafur Monroy van het Centre for Quantum Materials and Technology Eindhoven (QT/e) en het Eindhoven Hendrik Casimir Institute (EHCI)", zegt Dolmans.

In grote lijnen proberen Dolmans en haar medewerkers de problemen veroorzaakt door kwaadwillende partijen te beperken, zoals het eerder genoemde ‘nu opslaan, later ontsleutelen’ van gevoelige en persoonlijke gegevens. "Slechts één kwantumcomputer kan een aanzienlijke bedreiging vormen voor de samenleving, dus we hebben beveiligingsoplossingen nodig waar de samenleving op kan rekenen. Maar om deze oplossingen te ontwikkelen, moeten we bepalen welke partijen deze beveiligingsprotocollen nodig hebben, wie de eindgebruikers zijn en wat hun specifieke behoeften zijn."

Dergelijke informatie zal Dolmans en de andere onderzoekers helpen bij hun streven naar kwantumbeveiligingsoplossingen, en ervoor zorgen dat deze zijn afgestemd op de behoeften van de samenleving. "We moeten deze oplossingen ontwikkelen in nauw overleg met maatschappelijke belanghebbenden - dat is de beste manier om te werk te gaan."

Het pad van de quantum key distribution

Een veelbelovende en levensvatbare kwantumcommunicatieaanpak voor een veilige samenleving staat bekend als quantum key distribution (QKD). Met deze aanpak kunnen twee partijen een gedeelde willekeurige geheime sleutel produceren die alleen zij kennen. Deze geheime sleutel kan worden gebruikt voor het versleutelen en ontsleutelen van berichten die via een standaard communicatiekanaal zoals het internet worden verzonden. Het verschil met standaardversleuteling bij bestaande communicatie is dat deze is gebaseerd op kwantummechanica.

Met deze aanpak zou iemand die QKD gebruikt kunnen detecteren of een derde partij probeert iets over de sleutel zelf te weten te komen, omdat zij het kwantumsysteem permanent zouden verstoren of veranderen bij het onderzoeken ervan. "Met deze aanpak zou een inbreker die probeert informatie over de kwantumsleutel te verzamelen onmiddellijk worden opgemerkt, omdat hun aanwezigheid zorgt voor een abnormaal hoog foutenpercentage in de communicatie tussen zender en ontvanger", merkt Dolmans op. "Voor deze aanpak bestaan echter nog geen gestandaardiseerde of gecertificeerde systemen."

De routekaart zal organisaties helpen hun eigen beveiligingsoplossingen, kwantumontwikkelingsprocessen en -technologieën op elkaar af te stemmen en zo de ontwikkelingskosten en -risico's te beperken.

Om de doelstellingen van dit unieke interdisciplinaire project te bereiken, zullen Dolmans en haar medewerkers werken aan vier aspecten om oplossingen te ontwikkelen voor de distributie van kwantumsleutels. Deze aspecten zijn roadmapping, het opzetten van een fieldlab om QKD-benaderingen te ontwikkelen en te testen door voort te bouwen op bestaande regionale en nationale testfaciliteiten voor QKD, het opzetten van infrastructuur en architectuur om het gebruik van QKD te ondersteunen, en het lanceren van een centraal informatiepunt om educatieve informatie over QKD te delen.

Dolmans zal zich voornamelijk bezighouden met het roadmapping-aspect van het project. "Ik heb een aantal doelen voor dit deel van het project. Allereerst wil ik naar een gemeenschappelijk begrip van de potentiële impact van kwantumcomputers op de veiligheid voor verschillende groepen belanghebbenden. Vervolgens wil ik de beveiligingseisen van deze verschillende belanghebbenden identificeren en prioriteren. Daarna is het van belang om belangrijke technische, economische en maatschappelijke factoren en belemmeringen voor QKD op korte en lange termijn te identificeren. En het uiteindelijke doel is om een duidelijke methode te vinden om QKD te ontwikkelen, te testen, te standaardiseren, te certificeren en in de samenleving te implementeren. De routekaart zal organisaties helpen hun eigen beveiligingsoplossingen, kwantumontwikkelingsprocessen en -technologieën op elkaar af te stemmen en zo de ontwikkelingskosten en -risico's te beperken."

Precies op tijd

Kwantumcomputers komen eraan, dat is zeker. Tegelijkertijd is het onvermijdelijk dat de ontwikkelingen op het gebied van QKD zullen volgen, aangezien QKD een van de meest gebruikte beveiligingsmethoden voor kwantumcommunicatie zal zijn. Daarom is het absoluut noodzakelijk dat deze ontwikkelingen in goede banen worden geleid.

Gezien de enorme maatschappelijke impact moeten beveiligingsoplossingen worden ontworpen in nauw overleg met degenen die ze uiteindelijk zullen gebruiken.

"Ontwikkelingen moeten niet alleen worden overgelaten aan degenen die aan de technologieën werken", zegt Dolmans. "Gezien de enorme maatschappelijke impact moeten beveiligingsoplossingen worden ontworpen in nauw overleg met degenen die ze uiteindelijk zullen gebruiken. Ze moeten aansluiten bij wat de samenleving nodig heeft, en de oplossingen moeten worden vertrouwd. Dat kan alleen met een interdisciplinaire aanpak, en dat is het mooie van het FIQCS-project."

Maar is dit project te weinig en te laat voor de kwantumveiligheid? Niet volgens Dolmans: "Ik zou zeggen dat het precies op tijd is. Om organisaties en de samenleving als geheel er goed bij te betrekken, moeten er zinvolle discussies worden gevoerd over echt haalbare technologieën. De technologieën zijn in ontwikkeling, en dat gaat heel snel. Kwantumcomputers komen eraan, en we moeten zorgen dat we zo snel mogelijk de juiste reactie in termen van beveiliging ontwerpen, die maatschappelijke belanghebbenden zoals bedrijven, overheden en universiteiten verleidt om van begin af aan betrokken te zijn."