Apa itu quantum key distribution (QKD)?
Distribusi kunci kuantum (Quantum Key Distribution/QKD) adalah metode komunikasi aman untuk bertukar kunci enkripsi yang hanya diketahui oleh pihak yang terlibat. QKD memanfaatkan prinsip dalam fisika kuantum untuk mendistribusikan kunci kriptografi dengan cara yang terbukti aman dan terjamin.
QKD memungkinkan dua pihak untuk membuat dan berbagi kunci yang digunakan untuk mengenkripsi dan mendekripsi pesan. Secara spesifik, QKD adalah metode untuk mendistribusikan kunci antar pihak.
Pendistribusian kunci dalam skala konvensional bergantung pada kriptografi kunci publik yang menggunakan perhitungan matematis kompleks yang membutuhkan daya pemrosesan besar untuk diretas. Namun, sistem kunci publik menghadapi berbagai tantangan, seperti strategi serangan yang terus berkembang, kelemahan dalam generator angka acak, dan kemajuan daya komputasi. Selain itu, komputasi kuantum akan membuat sebagian besar strategi enkripsi kunci publik saat ini menjadi tidak aman.
QKD berbeda dari metode distribusi kunci konvensional karena menggunakan sistem kuantum yang bergantung pada hukum dasar alam untuk melindungi data, bukan matematika. Misalnya, teorema no-cloning menyatakan bahwa tidak mungkin membuat salinan identik dari keadaan kuantum yang tidak diketahui, sehingga mencegah peretas menyalin data dengan cara yang sama seperti mereka dapat menyalin lalu lintas jaringan saat ini. Selain itu, jika seorang penyerang mencoba mengganggu atau mengamati sistem, sistem akan berubah sedemikian rupa sehingga pihak yang terlibat akan mengetahuinya. Ini adalah mekanisme yang tidak rentan terhadap peningkatan daya pemrosesan.
Bagaimana cara kerja QKD?
QKD bekerja dengan mentransmisikan banyak partikel cahaya, atau foton, melalui kabel serat optik antara pihak yang terlibat. Setiap foton memiliki keadaan kuantum acak, dan secara kolektif, foton yang dikirim membentuk aliran angka biner (0 dan 1). Aliran ini disebut sebagai qubit—setara dengan bit dalam sistem biner.
Ketika foton mencapai penerima, ia melewati pemisah berkas (beam splitter), yang secara acak memaksa foton mengambil satu jalur atau lainnya ke dalam kolektor foton. Penerima kemudian mengirimkan data tentang urutan foton yang diterima kepada pengirim. Pengirim membandingkan urutan ini dengan foton yang telah dikirim.
Foton yang masuk ke kolektor yang salah dibuang; yang tersisa adalah urutan bit tertentu. Urutan bit ini kemudian dapat digunakan sebagai kunci untuk mengenkripsi data. Kesalahan dan kebocoran data dihilangkan selama fase koreksi kesalahan dan langkah-langkah pemrosesan lainnya. Amplifikasi privasi tertunda adalah langkah pemrosesan tambahan yang menghilangkan informasi yang mungkin diperoleh penyadap tentang kunci rahasia akhir.
Jenis-jenis QKD
Terdapat berbagai jenis QKD, tetapi dua kategori utama adalah protokol persiapan dan pengukuran serta protokol berbasis keterikatan kuantum.
- Protokol persiapan dan pengukuran berfokus pada pengukuran keadaan kuantum yang tidak diketahui. Protokol ini dapat digunakan untuk mendeteksi penyadapan serta menentukan seberapa banyak data yang mungkin dicegat.
- Protokol berbasis keterikatan kuantum berpusat pada keadaan kuantum di mana dua objek terhubung bersama, membentuk satu keadaan kuantum gabungan. Konsep keterikatan kuantum berarti bahwa pengukuran satu objek akan memengaruhi yang lain. Jika penyadap mengakses node yang sebelumnya tepercaya dan mengubah sesuatu, pihak lain yang terlibat akan mengetahui perubahan tersebut.
Dengan menerapkan keterikatan kuantum atau superposisi kuantum, hanya dengan mencoba mengamati foton, sistem akan berubah, membuat intrusi dapat terdeteksi.
Tantangan dalam QKD
Tiga tantangan utama dalam QKD adalah:
- Integrasi sistem QKD ke dalam infrastruktur yang ada;
- Jarak tempuh foton dalam transmisi; dan
- Alasan untuk menggunakan QKD sejak awal.
Meskipun QKD secara teori sangat aman, implementasinya dalam praktik tidak selalu sempurna. Ketidaksempurnaan dalam perangkat keras seperti detektor foton tunggal dapat menciptakan celah keamanan yang perlu diperhitungkan dalam analisis keamanan.
Kabel serat optik modern memiliki batas jarak maksimum untuk mentransmisikan foton, biasanya sekitar 100 km. Namun, berbagai penelitian telah berhasil memperpanjang jarak ini. Sebagai contoh, Universitas Jenewa dan Corning Inc. telah membangun sistem yang dapat mentransmisikan foton hingga 307 km dalam kondisi ideal. Quantum Xchange meluncurkan Phio, jaringan QKD di AS yang dapat mengirimkan kunci kuantum dengan jangkauan yang tampaknya tidak terbatas menggunakan sistem pengiriman di luar jalur bernama Phio Trusted Xchange.
Selain itu, QKD bergantung pada saluran komunikasi yang diautentikasi secara klasik. Artinya, salah satu pengguna harus sudah memiliki kunci simetris terlebih dahulu. Dengan enkripsi canggih lainnya, sistem dapat dibuat cukup aman tanpa QKD. Namun, dengan meningkatnya penggunaan komputer kuantum, kemungkinan peretas menggunakan komputasi kuantum untuk menembus metode enkripsi saat ini semakin besar, menjadikan QKD semakin relevan.
Masa Depan QKD
Kelompok Kerja Keamanan Kuantum-Safe (Quantum-Safe Security Working Group/QSSWG) yang dibentuk oleh Cloud Security Alliance (CSA) berupaya mendorong adopsi teknologi baru agar komputasi kuantum berkembang dengan aman. Teknologi baru terus dikembangkan untuk meningkatkan kecepatan data dan memperpanjang jangkauan efektif QKD. Saat ini, QKD mulai diterapkan secara komersial, dengan berbagai jaringan dan perusahaan menawarkan sistem QKD komersial.
Sejumlah perusahaan, seperti ID Quantique, Toshiba, QuintessenceLabs, dan MagiQ Technologies Inc., telah menawarkan sistem QKD komersial. Selain itu, Tokyo sedang menguji jaringan QKD sendiri.