211service.com
Nowy rekord w kryptografii kwantowej
Europejscy naukowcy pobili rekord odległości w przesyłaniu informacji kwantowych z jednego miejsca do drugiego, torując drogę systemowi, który opiera się na prawach fizyki, aby zapewnić komunikację, której nie można wykorzystać. Jeśli będą w stanie nieco zwiększyć zasięg swojego sygnału, będą mogli używać satelitów do przesyłania idealnie bezpiecznych danych na całym świecie.
Rozmowa międzykrajowa: Splątane fotony zostały wysłane 144 kilometry ze źródła światła na La Palmie do odbiornika na Teneryfie (u góry) znajdującego się w lokalnym obserwatorium (na dole).
Zespół wykorzystał zasady mechaniki kwantowej do stworzenia klucza szyfrującego jednocześnie w dwóch lokalizacjach: jednym w laboratorium na La Palmie na Wyspach Kanaryjskich, a drugim w obserwatorium na sąsiedniej Teneryfie, oddalonej o 144 kilometry. Taki klucz szyfrujący może być użyty do zakodowania danych, które mogą odkodować tylko nadawca i odbiorca.
Chcemy sprawdzić, czy w ogóle możliwe jest ustanowienie ogólnoświatowej komunikacji kwantowej, ogólnoświatowej kryptografii kwantowej, mówi Anton Zeilinger , profesor fizyki w Instytucie Fizyki Doświadczalnej na Uniwersytecie Wiedeńskim w Austrii. Jego zespół wraz z zespołem kierowanym przez Harald Weinfurter z Instytut Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka , w Garching, Niemcy, opublikowała wyniki online 3 czerwca w czasopiśmie Fizyka Przyrody .
Aby stworzyć klucz, zespół najpierw musiał stworzyć pary splątanych fotonów. Splątanie, które Albert Einstein nazwał upiornym działaniem na odległość, oznacza, że los jednego fotonu jest powiązany z losem drugiego. Pomiar dowolnej właściwości mechaniki kwantowej jednego fotonu automatycznie zmienia tę samą właściwość u jego splątanego partnera, bez względu na odległość między nimi.
W tym przypadku zespół zmierzył polaryzację. Światło może być spolaryzowane w dowolnym kierunku; jest to miara kierunku, w którym fale świetlne zmieniają się – na przykład w poziomie lub w pionie. Naukowcy stworzyli splątane pary fotonów, wystrzeliwując potężną wiązkę laserową przez kryształ. Z każdego wchodzącego fotonu wychodziły dwa słabsze, splątane fotony. Naukowcy odbili połowę każdej pary od lustra do lokalnego detektora światła na La Palmie. Wysłali drugi foton przez soczewkę i nad wodę, gdzie teleskop na Teneryfie wychwycił go i przesłał do drugiego detektora światła.
Mam te dwa fotony i jeśli zmierzę je na obu końcach i zapytam: „Czy jesteś spolaryzowany poziomo czy pionowo?” – wybór binarny – udzielą losowej odpowiedzi, mówi Zeilinger. Ale z powodu splątania obaj dadzą tę samą odpowiedź. Po obu stronach otrzymujesz zero lub po obu stronach dostajesz jedynkę.
Za każdym razem detektory rejestrowały foton i mierzyły jego polaryzację, która liczyła się jako bit. Foton spolaryzowany w jednym kierunku był jedynką, a foton spolaryzowany w przeciwnym kierunku był zerem. Dodaj wystarczającą ilość bitów, a otrzymasz klucz szyfrowania. I nie można ukraść tego klucza bez wiedzy użytkowników. Gdyby ktoś miał przechwycić lecące fotony, sam mógłby je zmierzyć, a następnie przesłać do odbiornika. Ale czynność ich pomiaru zmieniłaby ich właściwości w zakresie mechaniki kwantowej, więc zostałby natychmiast ujawniony.
Klucze szyfrowania używane dzisiaj opierają się na przekonaniu, że ich złamanie wymaga ogromnych zasobów obliczeniowych, mówi Jeffrey Shapiro , z MIT Grupa ds. Komunikacji Optycznej i Kwantowej . Ale jeśli ktoś wymyśli znacznie potężniejszy komputer kwantowy, ta przewaga zostanie utracona. Ponadto losowe sekwencje liczb wygenerowane w celu utworzenia dzisiejszych kluczy szyfrowania nie są naprawdę losowe. Są one generowane przez operacje matematyczne, a inteligentny łamacz kodów może być w stanie rozgryźć algorytm używany do ich generowania. Z kolei bity kwantowe są całkowicie nieprzewidywalne, więc oparte na nich klucze powinny być nie do złamania. To przemawia do firm, które chcą bezpiecznie przesyłać dane finansowe, a także do rządów, które mają wszelkiego rodzaju poufne komunikaty. Wszyscy wiemy, że bezpieczeństwo danych jest obecnie jedną z podstawowych kwestii, mówi Zeilinger.
Myślę, że to wspaniała praca, Shapiro mówi o gazecie europejskiej grupy. Imponujące jest to, że zrobili to na tak dużym dystansie.
Najlepsze, co wcześniej zrobili naukowcy, to wykrycie splątanych fotonów na odległości około 10 kilometrów. Aby to poprawić, zespół Zeilingera przestawił się na laser, który emituje światło w postaci impulsów zamiast ciągłej wiązki. Laser impulsowy ma tylko częstotliwość powtarzania 249 megaherców, znacznie wolniejszą niż lasery 10 gigahercowe powszechnie używane w optycznych sieciach komunikacyjnych, co ogranicza ilość sygnału, którą można wysłać w danym okresie czasu. Laser impulsowy również nie jest tak dobry jak laser ciągły w wytwarzaniu splątania. Ale jest blisko i dało to członkom zespołu znacznie większą kontrolę nad tym, kiedy produkują fotony, co pomogło im oddzielić fotony od światła rozproszonego w detektorze, dzięki czemu mogli bardziej wiarygodnie odczytać sygnał. Badacze musieli również poradzić sobie z turbulencjami atmosferycznymi, które zniekształcają ścieżkę fotonów. Użyli zautomatyzowanego systemu, który nieustannie dostosowywał ustawienie teleskopu, aby się tym zająć, chociaż wiązka światła nadal nieco wędrowała po detektorze.
Nadzieja, mówi Zeilinger, polega na ulepszeniu laserów i detektorów na tyle, aby takie łącza w wolnej przestrzeni działały między stacjami naziemnymi a satelitami, aby klucze szyfrujące mogły być przesyłane z dowolnego miejsca na Ziemi do dowolnego innego. Ponieważ większość satelitów komunikacyjnych krąży na wysokości od 300 do 500 kilometrów, przy naszych 144 kilometrach docieramy tam, mówi.
Fakt, że zespół pokonał tę odległość w wolnej przestrzeni, jest z pewnością bardzo istotny – mówi Prem Kumar , dyrektor Centrum Komunikacji Fotonicznej i Informatyki na Northwestern University. Wysłał splątane fotony przez światłowód, co jest dobre na krótkie odległości, mówi. Ale ponieważ włókno pochłania fotony, nie jest praktyczne na odległość większą niż 100 do 200 kilometrów, co nie pozwoliłoby na dystrybucję na całym świecie.
Naukowcy są częścią europejskiego konsorcjum około 20 grup o nazwie SECOQC, które pracuje nad bezpieczną komunikacją opartą na kryptografii kwantowej. Konsorcjum zamierza w przyszłym roku przetestować bezpieczny system w Europie.