W europejskim dążeniu do zbudowania niemożliwego do zhakowania internetu kwantowego

Koncepcyjna ilustracja zamka z uwikłanymi w niego fotonami, na ilustrowanym tle sieci Mengxin Li

Szybki pociąg z Paryża do Rotterdamu spóźnił się o godzinę z Gare du Nord. Kiedy w końcu wysadził mnie w holenderskim mieście, odkryłem, że jadący pociąg do Delft został zawieszony z powodu prac konserwacyjnych na torach. Potrzebowałem dwóch okrężnych podróży autobusem i taksówką, zanim w końcu dotarłem do celu.

Biorąc pod uwagę, że byłem tam, aby dowiedzieć się o przyszłości komunikacji, wydawało się to właściwe. Moja podróż była przypomnieniem, że chociaż transport ludzi z miejsca na miejsce wciąż jest pełen nieprzewidzianych usterek, ogromne ilości danych przepływają płynnie i szybko przez cały dzień, każdego dnia przez światłowody łączące miasta, kraje i całe kontynenty.

A jednak te sieci danych mają słabość: można je zhakować. Wśród tajnych dokumentów ujawnionych kilka lat temu przez wykonawcę amerykańskiej Agencji Bezpieczeństwa Narodowego, Edwarda Snowdena, znalazły się te, które pokazują, że zachodnim agencjom wywiadowczym udało się podsłuchiwać kable komunikacyjne i szpiegować przepływający przez nie ogromny ruch.

Instytut badawczy, który odwiedziłem w Delft, QuTech , pracuje nad systemem, który mógłby uniemożliwić tego rodzaju inwigilację. Pomysł polega na wykorzystaniu mechaniki kwantowej do stworzenia bezbłędnie bezpiecznej sieci komunikacyjnej między Delft a trzema innymi miastami w Holandii do końca 2020 roku (patrz mapa poniżej planowanych połączeń).

Badacze QuTech, kierowani przez Stephanie Wehner i Ronalda Hansona, wciąż borykają się z wieloma zniechęcającymi wyzwaniami technicznymi. Ale jeśli im się powiedzie, ich projekt może stać się katalizatorem przyszłego Internetu kwantowego — w podobny sposób, w jaki Arpanet, utworzony przez Departament Obrony USA pod koniec lat 60., zainspirował stworzenie Internetu, jaki znamy dzisiaj.

distancecalculator.net / ms tech

Niepowtarzalne kubity

Internet jest podatny na ataki hakerskie ujawnione przez Snowdena, ponieważ dane nadal przesyłane są przez kable w postaci klasycznych bitów — strumienia impulsów elektrycznych lub optycznych reprezentujących jeden s i 0 s. Haker, któremu uda się podpiąć kable, może odczytywać i kopiować te bity podczas przesyłania.

Z drugiej strony prawa fizyki kwantowej pozwalają cząstce — na przykład atomowi, elektronowi lub (w przypadku transmisji kablem optycznym) fotonowi światła — zajmować stan kwantowy, który reprezentuje kombinację jeden oraz 0 równocześnie. Taka cząstka nazywana jest bitem kwantowym lub kubitem. Kiedy próbujesz obserwować kubit, jego stan zmienia się na jeden lub 0 . To, wyjaśnia Wehner, oznacza, że ​​jeśli haker wejdzie w strumień kubitów, intruz zarówno zniszczy informacje kwantowe w tym strumieniu, jak i pozostawi wyraźny sygnał, że został naruszony.

Ze względu na tę właściwość kubity są używane od dłuższego czasu do generowania kluczy szyfrowania w procesie znanym jako dystrybucja klucza kwantowego (QKD). Wiąże się to z przesyłaniem danych w klasycznej formie przez sieć, podczas gdy klucze potrzebne do odszyfrowania danych są przesyłane osobno w stanie kwantowym.

Chiny wykazały kilka imponujących zastosowań QKD. W zeszłym roku wykorzystał satelitę Micius do przesyłania kluczy kwantowych do dwóch stacji naziemnych, jednej w Pekinie, a drugiej w Wiedniu. Klucze zostały następnie wykorzystane do odszyfrowania klasycznych danych w celu bezpiecznego połączenia wideo między dwoma miastami. Każda próba przechwycenia komunikacji zawierającej klucze zniszczyłaby je, uniemożliwiając szpiegom (lub komukolwiek innemu) odszyfrowanie rozmowy wideo. Chiny zbudowały również naziemną sieć komunikacyjną QKD od Pekinu do Szanghaju, z której banki i inne firmy korzystają do przesyłania poufnych danych handlowych.

Podejście to ma jednak ograniczenia. Fotony mogą być absorbowane w atmosferze lub przez materiały w kablach, co oznacza, że ​​zazwyczaj mogą podróżować nie dłużej niż kilkadziesiąt kilometrów. Sieć Pekin-Szanghaj omija ten problem, posiadając 32 tak zwane zaufane węzły w różnych punktach wzdłuż niej – podobnie jak repeatery, które wzmacniają sygnał w zwykłym kablu do transmisji danych. W tych węzłach klucze są odszyfrowywane do postaci klasycznej, a następnie ponownie szyfrowane w nowym stanie kwantowym w celu ich podróży do następnego punktu drogi. Ale to oznacza, że ​​zaufanym węzłom naprawdę nie należy ufać. Haker, który naruszy ich bezpieczeństwo, może niepostrzeżenie skopiować klasyczne klucze, podobnie jak firma lub rząd prowadzący węzły.

Teleportacja kwantowa

Wehner, Hanson i ich koledzy z QuTech chcą przezwyciężyć te ograniczenia, aby zbudować całkowicie bezpieczny internet kwantowy.

Stosowane przez nich podejście nazywa się teleportacją kwantową. Może to brzmieć jak science fiction, ale jest to rzeczywista metoda przesyłania danych. Opiera się na zjawisku znanym jako splątanie kwantowe.

Splątanie oznacza tworzenie pary kubitów — w tym celu fotonów światła — w jednym stanie kwantowym, tak że nawet jeśli podróżują w przeciwnych kierunkach, zachowują połączenie kwantowe. Zmiana stanu jednego fotonu spowoduje natychmiastową zmianę stanu drugiego w przewidywalny sposób, bez względu na to, jak bardzo są od siebie oddalone. Albert Einstein nazwał tę upiorną akcję na odległość.

Teleportacja kwantowa wymaga więc najpierw wysłania pary splątanych fotonów do dwojga ludzi – nazwijmy ich Alice i Bob. Alicja odbiera swój splątany foton i pozwala mu na interakcję z kubitem pamięci, który przechowuje dane, które chce przesłać do Boba. Ta interakcja zmienia stan jej fotonu, a tym samym zmienia również stan fotonu Boba. W efekcie teleportuje to dane w kubicie pamięci Alicji z fotonu Alicji do fotonu Boba. Poniższa ilustracja przedstawia proces bardziej szczegółowo.

Inny sposób myślenia: splątana para fotonów jest jak dwa końce wirtualnego, jednorazowego kabla do transmisji danych. Za każdym razem, gdy Alicja i Bob chcą wysłać dane, najpierw otrzymują nowy kabel, a ponieważ każdy z nich trzyma jeden koniec, tylko oni mogą z niego korzystać. To właśnie zabezpiecza go przed podsłuchiwaniem.

ms tech

W praktyce istnieje wiele sposobów tworzenia splątanych kubitów. Hanson, który kieruje stroną sprzętową inicjatywy QuTech, używa mikroskopijnych diamentów syntetycznych z celową wadą znaną jako defekt wakatu azotu. Tą wadą można manipulować za pomocą światła i mikrofal, aby emitować fotony, które można wysyłać w odległe miejsca.

Jednak uzyskanie tego na dużą skalę jest ogromnym wyzwaniem naukowym i inżynieryjnym, co Hanson chętnie przyznaje. Możemy próbować zaplątać się na duże odległości, ale przez większość czasu to się nie udaje, mówi. Biorąc pod uwagę, że kable światłowodowe czasami poruszają się po okrężnych trasach, odległości, które fotony będą musiały pokonać w ramach projektu QuTech, będą prawdopodobnie dłuższe niż te bezpośrednie pokazane na naszej mapie.

Mimo to nastąpił zachęcający postęp. W 2015 roku Hansonowi i grupie innych badaczy udało się zaplątać kubity w odległości 1,3 kilometra (0,8 mili), ale połączenie można było nawiązać tylko raz na godzinę i trwało ułamek sekundy. W czerwcu tego roku naukowcy ogłosili, że splątali dwa elektrony w odległości kilku metrów, 40 razy na sekundę. To sprawiło, że jako pierwsi na świecie pokazali, że zaplątanie na żądanie jest możliwe.

Falownik laserowy

Ten eksperyment miał miejsce w laboratorium. Powielanie go w prawdziwym świecie to inna sprawa. Przeszkody techniczne obejmują nie tylko przyspieszenie splątania i utrzymywanie go na znacznie większych odległościach, ale także wykonanie delikatnej sztuczki fizycznej, która wykorzystuje impulsy laserowe do zwiększenia długości fal fotonów, aby mogły one podróżować dalej przez kable światłowodowe.

Podczas gdy Hanson koncentruje się na tych wyzwaniach, Wehner kieruje projektowaniem sieci i innowacjami w oprogramowaniu, które są niezbędne do urzeczywistnienia połączenia czterech miast. Oprogramowanie używane do sterowania klasycznymi sieciami komunikacyjnymi nie radzi sobie z takimi rzeczami jak splątanie, więc Wehner pracuje nad nowatorską architekturą, która pozwoli sprawnie sterować nową siecią kwantową i budować dla niej aplikacje.

Podczas ostatniego hackathonu, który QuTech zorganizował wspólnie z europejskim regionalnym rejestrem internetowym, sugerowane aplikacje obejmowały bezpieczne głosowanie, podpisy cyfrowe, a nawet usługę czatu kwantowego.

Zespół QuTech wydaje się być zdeterminowany, aby zrealizować swój cel, jakim jest ukończenie sieci czterech miast do końca 2020 roku, chociaż Wehner przyznaje, że termin jest bardzo napięty. To, czego się nauczą, zostanie wykorzystane w niedawno uruchomionym europejskim projekcie, Quantum Internet Alliance (QIA). Wehner koordynuje Sojusz , którego celem jest zbudowanie kwantowego Internetu umożliwiającego aplikacje komunikacji kwantowej między dowolnymi dwoma punktami na Ziemi.

To co najmniej ambitne. Chociaż Holandia jest użytecznym poligonem doświadczalnym, odległości między miastami są tam dość małe. Większe sieci prawdopodobnie będą wymagały wzmacniaczy kwantowych. W przeciwieństwie do zaufanych węzłów w chińskiej sieci, które zamieniają informacje kwantowe w klasyczną formę, a następnie z powrotem, te repeatery lub stacje przesiadkowe z procesorami kwantowymi będą potrzebne do rozszerzenia splątania na tysiące mil, aby sieci pozostały odporne na hakerów.

Stephanie Wehner i Ronald Hanson Marieke de Lorjin | QuTech

Różni badacze, w tym zespół QuTech, pracują nad tym pomysłem, ale wciąż jest on w powijakach. Istnieje wiele pięknych teorii, mówi Tracy Northup, profesor na Uniwersytecie w Innsbrucku, która również zajmuje się QIA, ale w laboratorium nie ma jeszcze nawet dowodu zasady.

Zakładając, że internet kwantowy stanie się rzeczywistością, pojawią się ważne pytania. Czy będzie dostępny dla wszystkich, czy też firmy i rządy z głębokimi kieszeniami będą korzystać z pasów kwantowych, podczas gdy inne będą przeznaczone do mniej bezpiecznych, klasycznych? I czy rządy zaczną nalegać, że potrzebują specjalnych punktów dostępu do sieci kwantowych, tak jak teraz agitują za tylnymi drzwiami do oprogramowania i smartfonów?

Jeśli zespół QuTech zdoła pokonać przeszkody techniczne, przed którymi stoi, zbliżymy się o duży krok. A naukowcy z Holandii nie są jedynymi, na których warto zwrócić uwagę. Chiny opracowują plan stworzenia w pełni kwantowej sieci komunikacyjnej, która połączyłaby miasto Zhuhai z Hongkongiem. A dzięki Miciusowi i ich istniejącej sieci naziemnej Chińczycy pokazali, jak szybko mogą się rozwijać. Wyścig w kierunku Internetu kwantowego trwa.

ukryć