Optische versleuteling: als licht zelf de sleutel wordt
Bij gewone encryptie zet een computer een bericht om in een reeks nullen en enen die zonder de juiste sleutel onleesbaar is. Optische versleuteling doet iets vergelijkbaars, maar dan met licht in plaats van bits. In plaats van een wiskundige formule op data los te laten, stuurt men licht door speciale materialen, lenzen of lasers die de informatie vervormen tot een patroon dat er voor een buitenstaander uitziet als willekeurige ruis. Alleen wie de juiste "optische sleutel" bezit, kan het oorspronkelijke beeld of signaal terugkrijgen.
Een eenvoudige analogie: stel je een foto voor die je door twee laagjes matglas bekijkt, elk met een eigen, uniek patroon van oneffenheden. Samen zorgen die laagjes ervoor dat het licht zo verstrooit dat de foto onherkenbaar wordt. Alleen als je precies dezelfde twee laagjes matglas in de juiste volgorde en positie terugplaatst, verschijnt de foto weer scherp. Zoiets gebeurt ook in optische versleuteling, maar dan met licht, lenzen en fasemaskers in plaats van glas met krasjes.
Wat is het precies?
"Optische versleuteling" is geen enkele techniek, maar een verzamelnaam voor verschillende methoden die licht gebruiken om informatie te beveiligen. De belangrijkste varianten zijn optische beeldencryptie, optische fysieke sleutels (PUF's), chaos-gebaseerde communicatie en kwantumsleuteldistributie.
De bekendste klassieke methode heet Double Random Phase Encoding (DRPE), voorgesteld in 1995 door de onderzoekers Philippe Réfrégier en Bahram Javidi. Hierbij stuurt men een beeld door twee willekeurige "fasemaskers": dunne, doorzichtige plaatjes die het licht dat erdoorheen gaat op elk punt een beetje anders vertragen. Eén masker zit vlak bij het beeld, het andere in het zogeheten Fourier-vlak. Dat laatste is een technische term voor een plek in een optisch systeem waar een lens het licht zo herschikt dat je niet meer het beeld zelf ziet, maar een soort "receptenkaart" van alle lichtgolfpatronen waaruit het beeld is opgebouwd. Door op die plek een tweede willekeurig masker te plaatsen, wordt het beeld omgezet in een patroon dat statistisch niet van ruis te onderscheiden is. Zonder de twee exacte maskers is er niets uit te lezen.
Een tweede aanpak zijn optische Physical Unclonable Functions, afgekort PUF's. Hierbij schijnt een laser op een stukje wanordelijk materiaal, bijvoorbeeld plastic vol microscopisch kleine deeltjes die licht in willekeurige richtingen verstrooien. Het resulterende lichtpatroon, een zogeheten speckle-patroon (een korrelig geheel van lichte en donkere vlekjes), is voor elk stukje materiaal uniek door piepkleine, onbeheersbare productieverschillen. Dat patroon werkt als een soort natuurlijke, niet te kopiëren vingerafdruk die als sleutel kan dienen.
Een derde route is chaos in laserlicht. Bepaalde halfgeleiderlasers kunnen, als je ze op een specifieke manier aanstuurt, een chaotisch fluctuerend lichtsignaal uitzenden: onvoorspelbaar voor wie de exacte laserinstellingen niet kent, maar reproduceerbaar voor een tweede, identiek ingestelde laser. Door een boodschap in die chaos te verstoppen, kan alleen een ontvanger met een "synchrone" chaotische laser het bericht er weer uithalen.
Tot slot is er kwantumsleuteldistributie (QKD), dat er, wat de manier van uitleggen betreft, hier vaak bij wordt genoemd, maar strikt genomen een aparte tak is: niet klassieke optica, maar kwantumfysica. Hierbij worden individuele lichtdeeltjes (fotonen) gebruikt om een geheime sleutel te delen. De kwantummechanica zorgt ervoor dat afluisteren onvermijdelijk sporen achterlaat, waardoor twee partijen kunnen controleren of hun sleuteluitwisseling is afgeluisterd.
Wat wil men ermee bereiken?
Een belangrijke drijfveer is de dreiging van toekomstige kwantumcomputers. Veelgebruikte versleuteling zoals RSA leunt op wiskundige problemen die met een voldoende krachtige kwantumcomputer relatief snel op te lossen zouden zijn. Onderzoekers zoeken daarom naar alternatieven die niet op diezelfde wiskunde steunen. Optische methoden, en QKD in het bijzonder, bieden een beveiliging die niet afhangt van hoe moeilijk een rekensom is, maar van natuurkundige wetten.
Daarnaast speelt snelheid en energieverbruik een rol. Licht kan in principe razendsnel en met weinig energieverlies grote hoeveelheden data verwerken, wat optische technieken aantrekkelijk maakt voor toepassingen waar digitale verwerking een knelpunt vormt.
Optische PUF's dienen een ander doel: fysieke authenticatie. Omdat het speckle-patroon van een stukje materiaal in de praktijk niet na te maken is, zelfs niet door de fabrikant zelf, kunnen zulke sleutels worden gebruikt om namaak van bijvoorbeeld chips, waardevolle documenten of onderdelen tegen te gaan.
Chaos-gebaseerde en kwantumcommunicatie richten zich vooral op afluisterbestendige verbindingen: communicatie waarbij een indringer op de fysieke laag van het netwerk, dus in de kabel of de lichtgolf zelf, al wordt tegengehouden of ontdekt, in plaats van pas op softwareniveau.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal mijlpalen illustreert hoe dit veld zich heeft ontwikkeld. In 1995 publiceerden Philippe Réfrégier en Bahram Javidi hun invloedrijke artikel over Double Random Phase Encoding, dat sindsdien als basis dient voor talloze varianten van optische beeldencryptie.
In 2002 lieten Ravikanth Pappu, Ben Recht, Jason Taylor en Neil Gershenfeld in het tijdschrift Science zien dat je met laserlicht door een wanordelijk verstrooiend materiaal een praktisch onkopieerbare fysieke sleutel kunt maken, het concept dat we nu optische PUF noemen.
Rond 2005 voerden onderzoekers, onder wie Apostolos Argyris en collega's, een veldtest uit in het bestaande, commerciële glasvezelnetwerk van Athene, waarbij chaos-versleutelde signalen over echte stadsinfrastructuur werden verstuurd, een van de eerste keren dat dit type beveiliging buiten het laboratorium werd getest.
China lanceerde in 2016 de Micius-satelliet, onder leiding van natuurkundige Pan Jianwei en zijn team van de University of Science and Technology of China (USTC). Deze satelliet werd gebruikt voor experimenten met kwantumsleuteldistributie tussen grondstations en, in 2017, voor spraakmakende demonstraties van satellietgebaseerde kwantumcommunicatie over grote afstanden. In diezelfde periode bouwde China ook een terrestrisch glasvezelnetwerk voor QKD tussen Peking en Shanghai.
In 2018 publiceerde de onderzoeksgroep van Aydogan Ozcan aan UCLA in Science een werk over "diffractieve diepe neurale netwerken": dunne, gestructureerde laagjes die licht bij het passeren op de snelheid van het licht laten "rekenen". Dit concept wordt inmiddels ook onderzocht als bouwsteen voor nieuwe vormen van optische informatiebeveiliging.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkelstatus verschilt sterk per variant. DRPE en verwante optische beeldencryptie zijn wetenschappelijk goed onderzocht en er verschijnen nog steeds regelmatig nieuwe varianten in vaktijdschriften, maar ze hebben nauwelijks een plek gevonden in alledaagse producten; het blijft vooral academisch werk.
Optische PUF's hebben wel een niche in de praktijk gevonden, vooral voor anti-namaaktoepassingen en het beveiligen van chips, al is de markt daarvoor relatief klein vergeleken met reguliere digitale beveiliging.
Chaos-gebaseerde communicatie is grotendeels experimenteel gebleven. De Atheense proef uit 2005 was veelbelovend, maar het is bij een beperkt aantal veldtests gebleven; brede commerciële uitrol is er niet gekomen.
Kwantumsleuteldistributie is het verst gecommercialiseerd: er bestaan werkende netwerken en apparatuur van bedrijven als ID Quantique en onderzoeksresultaten van onder meer Toshiba over steeds grotere afstanden via glasvezel. Toch blijft QKD duur, gevoelig voor signaalverlies over lange afstanden, en beperkt schaalbaar zonder speciale, kostbare tussenstations. Bovendien concurreert QKD met post-kwantumcryptografie (PQC), een puur softwarematige aanpak waarvoor het Amerikaanse standaardisatie-instituut NIST inmiddels standaarden heeft vastgesteld. Veel experts zien PQC als de goedkopere, makkelijker uit te rollen oplossing voor de meeste toepassingen, met QKD als aanvulling voor specifieke, zeer hoogwaardige verbindingen. Kortom: er is geen vorm van optische versleuteling die morgen je smartphone of wifi-verbinding beveiligt, en onduidelijk is welke van deze technieken ooit die schaal zal bereiken.
Wie werken eraan?
In China vormen USTC en onderzoeker Pan Jianwei een drijvende kracht achter kwantumcommunicatie via satellieten en glasvezelnetwerken, met steun van de Chinese overheid. In Zwitserland is ID Quantique een van de bekendste bedrijven die QKD-apparatuur commercieel aanbiedt. Toshiba heeft onderzoeksgroepen, onder meer in het Verenigd Koninkrijk, die publiceren over de haalbare afstand en snelheid van glasvezel-QKD.
Op het gebied van optische beeldencryptie geldt Bahram Javidi, verbonden aan de University of Connecticut in de Verenigde Staten, als een van de grondleggers en nog altijd actieve onderzoekers. Chaos-gebaseerde optische communicatie is vooral verbonden met namen als Alan Shore van Bangor University in Wales en Claudio Mirasso in Spanje. Op het snijvlak van optica en kunstmatige intelligentie is de groep van Aydogan Ozcan aan UCLA toonaangevend met werk aan diffractieve optische verwerking.
Breder gezien investeren de Europese Unie, de Verenigde Staten en China fors in kwantumcommunicatie-infrastructuur, vaak als onderdeel van nationale kwantumstrategieën, wat het optische en kwantumveld de komende jaren financieel gezien relevant houdt, ook al is de weg naar grootschalige toepassing nog lang.