Przełom kwantowy zwiastuje nową generację doskonale bezpiecznego przesyłania wiadomości

W latach 80. fizycy kwantowi odkryli, że dziwne zasady mechaniki kwantowej umożliwiają przesyłanie informacji z jednej części wszechświata do drugiej z zachowaniem pełnej prywatności. Ta tak zwana kryptografia kwantowa byłaby idealna, powiedzieli, ponieważ bezpieczeństwo wiadomości gwarantowałyby same prawa fizyki.

W ciągu kilku lat naukowcy zademonstrowali tę technikę w laboratorium, a dziś kryptografia kwantowa staje się komercyjnie opłacalna dzięki firmom takim jak ID Quantique w Genewie w Szwajcarii.

Ale cały mechanizm jest trochę sprzeczny z intuicją. Prywatna wiadomość w ogóle nie jest wysyłana przy użyciu mechaniki kwantowej. Zamiast tego fizycy używają procesów kwantowych do wysyłania kodu zwanego jednorazową podkładką, która służy do szyfrowania oryginalnej wiadomości. Zaszyfrowana wiadomość jest następnie przesyłana zwykłym kanałem telekomunikacyjnym i dekodowana w zwykły sposób. Technika ta nazywa się dystrybucją klucza kwantowego.

Alicja i Bob mogą wymieniać doskonale bezpieczne wiadomości przy użyciu nowej techniki kwantowej.

Informatycy wiedzą, że wiadomości zakodowanej za pomocą jednorazowego bloku nie można złamać. Bezpieczeństwo wynika więc z możliwości wysłania jednorazowego pada z idealną prywatnością, co gwarantuje takie podejście.

I to rodzi interesujące pytanie. Jeśli możliwe jest bezpieczne przesłanie jednorazowego padu za pomocą mechaniki kwantowej, dlaczego nie wysłać w ten sposób oryginalnej wiadomości?

Dzisiaj Wei Zhang z Uniwersytetu Tsinghua w Pekinie i kilku kumpli mówi, że właśnie to zrobili. Nowy proces nazywa się bezpieczną bezpośrednią komunikacją kwantową, a chiński zespół po raz pierwszy zastosował go przez 500 metrów kabla światłowodowego.

Powód, dla którego fizycy polegali w przeszłości na jednorazowych podkładkach, jest prosty. Kwestią sporną jest to, czy wiadomość została podsłuchana. Fizycy mogą to sprawdzić, ponieważ cząstek kwantowych nie można zmierzyć bez zniszczenia zawartej w nich informacji.

Więc kiedy fotony są transmitowane, jeśli docierają w tym samym stanie, w jakim zostały wysłane, podsłuchujący nie może wydobyć zawartych w nich informacji. Ale jeśli dotrą w innym stanie, jest to wyraźny dowód na to, że informacja przedostała się do środowiska, a wiadomość nie jest bezpieczna.

(W praktyce fizycy mogą być pewni, że wiadomość jest bezpieczna, o ile ten wyciek jest poniżej pewnego krytycznego progu).

Problem polega na tym, że wyciek staje się widoczny dopiero po jego wystąpieniu. Tak więc podsłuchujący miał już informacje, zanim fizycy dowiedzieliby się o podstępie.

Dlatego używają tego procesu do wysłania jednorazowego padu, zestawu liczb losowych, których można użyć do zaszyfrowania wiadomości. Jeśli podsłucha się jednorazowy pad, fizycy po prostu go lekceważą i wysyłają kolejny, dopóki nie będą mieli pewności, że proces był całkowicie prywatny.

Ale fizycy bardzo chcieliby zrezygnować z jednorazowego notatnika, gdyby mogli znaleźć sposób na zapewnienie tajności wiadomości przed jej wysłaniem. A kilka lat temu teoretycy opracowali na to sposób.

Metoda wykorzystuje kwantowe zjawisko splątania. Dzieje się tak, gdy cząstki kwantowe są tak ściśle powiązane, że dzielą to samo istnienie — na przykład, gdy obie są tworzone w tym samym czasie i miejscu.

Kiedy tak się dzieje, cząstki pozostają połączone, nawet gdy są od siebie oddalone. A pomiar jednej cząstki natychmiast wpływa na stan drugiej.

Sztuczka polega więc na stworzeniu zestawu splątanych cząstek, takich jak fotony, i zakodowaniu informacji w ich stanie polaryzacji. Zatem polaryzacja pionowa może reprezentować a jeden i polaryzacji poziomej a 0 , na przykład.

Nadawca, Alicja, zatrzymuje jedną połowę każdej pary i wysyła pozostałe do Boba, który następnie ma zestaw fotonów splątanych z fotonami Alicji.

Bob losowo rozdziela swoje fotony na dwie grupy. Mierzy polaryzacje jednego zestawu i wysyła wyniki z powrotem do Alicji. Następnie sprawdza, czy stany zmieniły się podczas transmisji – innymi słowy, czy Ewa podsłuchiwała.

Jeśli nie, to Alice i Bob wiedzą, że Ewa również nie mogła zobaczyć innych fotonów, ponieważ zostały rozdzielone losowo. A to oznacza, że ​​Alice i Bob mogą wykorzystać pozostałe fotony do przesyłania danych przy użyciu normalnego procesu komunikacji kwantowej, który jest całkowicie prywatny.

I dokładnie to zrobili Zhang i spółka. Jednym z powodów, dla których eksperyment jest trudny, jest to, że fotony muszą być przechowywane podczas tego procesu sprawdzania. Zhang i spółka robią to, wysyłając fotony wokół dwukilometrowej pętli światłowodu i przeprowadzając kontrole tak szybko, jak to możliwe. Im dłużej to trwa, tym bardziej prawdopodobne jest, że fotony zostaną pochłonięte lub rozproszone przez światłowód.

Wyniki jasno pokazują potencjał techniki. Ten oparty na światłowodach system QSDC może osiągnąć szybkość transmisji zbliżoną do szybkości transmisji kluczy bezpieczeństwa obecnych komercyjnych systemów dystrybucji kluczy kwantowych, mówią Zhang i spółka. Zaletą [jest] to, że system QSDC może przesyłać nie tylko bezpieczne klucze, ale także informacje bezpośrednio.

Oczywiście, aby tego rodzaju system był opłacalny komercyjnie, potrzebne są różne ulepszenia. Jednak praca ta jest ważnym krokiem w kierunku bezpiecznej komunikacji opartej wyłącznie na kwantach. Banki, rządy i agencje wojskowe będą się przyglądać z niecierpliwością.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1710.07951 : Eksperymentalna komunikacja bezpośrednia Quantum Secure na duże odległości

ukryć