Pierwsza eksperymentalna demonstracja kwantowej maszyny Enigmy

Jednym z wielkich niedocenionych bohaterów XX-wiecznej nauki był Claude Shannon, matematyk i inżynier w słynnych laboratoriach Bell Laboratories w New Jersey. W latach 40., 50. i 60. Shannon położył matematyczne podstawy nowoczesnej komunikacji i informatyki, budując jedne z pierwszych inteligentnych maszyn.

Po drodze wniósł też duży wkład w teorię kryptografii, publikując w 1949 r. pracę Communication Theory of Secrecy Systems. Wykazał w niej możliwość wysłania doskonale bezpiecznej wiadomości pod warunkiem, że klucz szyfrujący jest całkowicie losowy. i używane tylko raz.

Praca Shannona jest matematycznym dowodem na to, że jednorazowy pad jest naprawdę niezniszczalną formą szyfrowania. Krytycznym warunkiem jest to, że klucz szyfrowania musi być co najmniej tak długi, jak sama wiadomość.

Pierwsza kwantowa maszyna do zagadki.

Praca Shannona zakłada, że ​​przekaz jest przesyłany przy użyciu konwencjonalnych form przekazu. Ale w ciągu ostatnich 10 lat fizycy kwantowi pokazali, że można zrobić lepiej, jeśli wiadomość jest zaszyfrowana przy użyciu reguł kwantowych. W szczególności wykazali, że w świecie kwantowym bezpieczną wiadomość można wysłać z kluczem, który jest znacznie krótszy niż sama wiadomość. Przynajmniej w teorii.

Naukowcy ochrzcili to urządzenie kwantową maszyną zagadkową, po nazistowskim urządzeniu szyfrującym, które łamacze kodów pod wodzą Alana Turinga złamali podczas II wojny światowej. Ale urządzenie było całkowicie teoretyczne.

Do teraz. Dzisiaj Daniel Lum z University of Rochester w stanie Nowy Jork wraz z kilkoma kumplami po raz pierwszy odsłania faktycznie działającą maszynę do kwantowej enigmy. Ich urządzenie sprawdzające zasadę jest w stanie wysyłać doskonale bezpieczne wiadomości przy użyciu klucza, który jest krótszy niż sama wiadomość.

Jednorazowy pad działa poprzez dodanie losowej liczby do każdej cyfry w wiadomości. To sprawia, że ​​wiadomość jest nie do odróżnienia od przypadkowości. Można go odczytać tylko przez odjęcie tych samych liczb losowych w celu uzyskania oryginalnej wiadomości.

Tajemnica zależy od tego, czy nadajnik i odbiornik są jedynymi osobami posiadającymi listę liczb losowych. I oczywiście ta lista musi być dłuższa niż sama wiadomość.

Kwantowa wersja tego procesu polega na kodowaniu informacji w obiekcie kwantowym, takim jak foton, a następnie losowej operacji zmiany stanu fotonu. Informacje można pobrać tylko przez odwrócenie losowej operacji. Tak długo, jak tylko nadajnik i odbiornik znają sekwencję losowych operacji — klucz kwantowy — i ten klucz jest używany tylko raz, wiadomość jest całkowicie bezpieczna.

Jednak teoretycy kwantowi wykazali, że klucz kwantowy może być wykładniczo krótszy niż sama wiadomość.

Teraz Lum i spółka zbudowali nadajnik i odbiornik wykorzystujący ten mechanizm. Ich urządzenie składa się z działa fotonowego, które wystrzeliwuje pojedyncze fotony przez rodzaj maski zwanej przestrzennym modulatorem światła, która nakłada informacje na front fali fotonu. Jeśli ten modulator składa się z tablicy 8 x 8, może zakodować 64 bity informacji. Jednocześnie przestrzenny modulator światła dodaje losowy sygnał do przesyłanych informacji.

Ważną kwestią jest to, że wszystkie informacje zakodowane na fotonie są losowane przez losowy sygnał. Tak więc sekwencja losowych sygnałów używanych do szyfrowania może być znacznie krótsza niż sama wiadomość.

To pozwala na ważny zwrot. Ponieważ wiadomość jest krótsza niż klucz, możliwe jest również przesłanie nowego klucza w celu zakodowania następnej wiadomości. W ten sposób wiadomość i nowy klucz są wysyłane w tym samym czasie i oba są całkowicie tajne.

Odbiornik wykrywa każdy foton za pomocą matrycy światłoczułej, która może wykryć wzór nałożony na foton. Następnie odejmuje losowy sygnał, pozostawiając oryginalną wiadomość.

Lum i spółka zrobili dokładnie to. Zademonstrowaliśmy to zjawisko za pomocą eksperymentu sprawdzającego zasadę, aby zablokować 6 bitów na foton przy użyciu mniej niż 6 bitów na foton tajnego klucza, mówi zespół. Innymi słowy, ci faceci zbudowali pierwszą maszynę do kwantowej enigmy.

To ciekawy wynik, który ma natychmiastowe zastosowanie. Fizycy już używają mechaniki kwantowej do wysyłania doskonale bezpiecznych wiadomości za pomocą techniki zwanej dystrybucją kluczy kwantowych. Techniki wykonywania tego stają się coraz bardziej zaawansowane. Rzeczywiście, na rynku dostępne są już komercyjne wersje tego rodzaju szyfrowania kwantowego.

Lum i spółka twierdzą, że technologię i techniki opracowane dla dystrybucji kluczy kwantowych można natychmiast zastosować do budowy maszyn kwantowej enigmy. Nie ma więc powodu, dla którego technika ta nie mogłaby zostać skomercjalizowana w najbliższej przyszłości. Shannon z pewnością byłby pod wrażeniem.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1605.06556 : Quantum Enigma Machine: eksperymentalnie demonstruje kwantowe blokowanie danych

ukryć