211service.com
Inside Europes søken etter å bygge et uhakkbart kvanteinternett
Konseptuell illustrasjon av en lås med sammenfiltrede fotoner inni den, på en illustrert nettverksbakgrunn Mengxin Li
Hurtigtoget fra Paris til Rotterdam var en time forsinket og forlot Gare du Nord. Da det endelig deponerte meg i den nederlandske byen, oppdaget jeg at det videre toget til Delft var stanset på grunn av vedlikeholdsarbeid på skinnene. Det tok to omstendelige bussturer og en taxitur før jeg endelig kom frem til målet.
Gitt at jeg var der for å lære om fremtiden for kommunikasjon, virket dette passende. Reisen min var en påminnelse om at mens frakt av folk fra sted til sted fortsatt er full av uforutsette feil, flyter gigantiske mengder data jevnt og raskt hele dagen, hver dag gjennom de fiberoptiske kablene som forbinder byer, land og hele kontinenter.
Og likevel har disse datanettverkene en svakhet: de kan hackes. Blant de hemmelige dokumentene som ble lekket for noen år siden av US National Security Agency-kontraktør Edward Snowden, var de som viste at vestlige etterretningsbyråer hadde klart å benytte seg av kommunikasjonskabler og spionere på de enorme mengder trafikk som strømmer gjennom dem.
Forskningsinstituttet jeg besøkte i Delft, QuTech , jobber med et system som kan gjøre denne typen overvåking umulig. Ideen er å utnytte kvantemekanikk for å skape et feilfritt sikkert kommunikasjonsnettverk mellom Delft og tre andre byer i Nederland innen utgangen av 2020 (se kartet nedenfor for de planlagte koblingene).
QuTech-forskerne, ledet av Stephanie Wehner og Ronald Hanson, står fortsatt overfor en rekke skremmende tekniske utfordringer. Men hvis de lykkes, kan prosjektet deres katalysere et fremtidig kvanteinternett – omtrent på samme måte som Arpanet, som det amerikanske forsvarsdepartementet opprettet på slutten av 1960-tallet, inspirerte etableringen av internett slik vi kjenner det i dag.
distancecalculator.net / ms tech
Uetterlignelige qubits
Internett er sårbart for den typen hacking avslørt av Snowden fordi data fortsatt går over kabler i form av klassiske biter – en strøm av elektriske eller optiske pulser som representerer en s og 0 s. En hacker som klarer å trykke på kablene kan lese og kopiere disse bitene under transport.
Kvantefysikkens lover, derimot, tillater en partikkel – for eksempel et atom, et elektron eller (for overføring langs optiske kabler) et foton av lys – å okkupere en kvantetilstand som representerer en kombinasjon av en og 0 samtidig. En slik partikkel kalles en kvantebit, eller qubit. Når du prøver å observere en qubit, kollapser dens tilstand til enten en eller 0 . Dette, forklarer Wehner, betyr at hvis en hacker benytter seg av en strøm av qubits, ødelegger inntrengeren både kvanteinformasjonen i den strømmen og etterlater et tydelig signal om at det er blitt tuklet med.
På grunn av denne egenskapen har qubits blitt brukt i ganske lang tid for å generere krypteringsnøkler i en prosess kjent som kvantenøkkeldistribusjon (QKD). Dette innebærer å sende data i klassisk form over et nettverk, mens nøklene som trengs for å dekryptere dataene overføres separat i en kvantetilstand.
Kina har vist noen imponerende anvendelser av QKD. I fjor brukte den en satellitt kalt Micius for å overføre kvantenøkler til to bakkestasjoner, en i Beijing og den andre i Wien. Nøklene ble deretter brukt til å dekryptere klassiske data for en sikker videosamtale mellom de to byene. Ethvert forsøk på å avskjære kommunikasjonen som inneholder nøklene ville ha ødelagt dem, og gjort det umulig for spionene (eller noen andre) å dekryptere videosamtalen. Kina har også bygget et landbasert QKD-kommunikasjonsnettverk fra Beijing til Shanghai som banker og andre selskaper bruker for å overføre sensitive kommersielle data.
Tilnærmingen har imidlertid begrensninger. Fotoner kan absorberes i atmosfæren eller av materialer i kabler, noe som betyr at de vanligvis ikke kan reise mer enn noen få titalls kilometer. Beijing-Shanghai-nettverket kommer rundt dette ved å ha 32 såkalte betrodde noder på forskjellige punkter langs det – i likhet med repeatere som forsterker signalet i en vanlig datakabel. Ved disse nodene dekrypteres nøklene til klassisk form og deretter krypteres på nytt i en ny kvantetilstand for reisen til neste veipunkt. Men dette betyr at pålitelige noder egentlig ikke bør stoles på. En hacker som bryter sikkerheten deres kan kopiere de klassiske nøklene uoppdaget, det samme kan et selskap eller en regjering som driver nodene.
Kvanteteleportering
Wehner, Hanson og deres kolleger ved QuTech har som mål å overvinne disse begrensningene for å bygge et helt sikkert kvanteinternett.
Tilnærmingen de bruker kalles kvanteteleportering. Dette kan høres ut som science fiction, men det er en faktisk metode for å overføre data. Den er avhengig av et fenomen kjent som kvanteforviklinger.
Entanglement betyr å lage et par qubits - fotoner av lys, for dette formålet - i en enkelt kvantetilstand, slik at selv om de beveger seg i motsatte retninger, beholder de en kvanteforbindelse. Å endre tilstanden til ett foton vil øyeblikkelig endre tilstanden til det andre på en forutsigbar måte, uansett hvor langt fra hverandre de er. Albert Einstein kalte denne skummel handling på avstand.
Kvanteteleportering krever derfor først å sende et par sammenfiltrede fotoner til to personer – kall dem Alice og Bob. Alice mottar det sammenfiltrede fotonet sitt og lar det samhandle med en minne-qubit som inneholder data hun ønsker å overføre til Bob. Denne interaksjonen endrer tilstanden til fotonet hennes, og endrer dermed tilstanden til Bobs foton også. Faktisk teleporterer dette dataene i Alices minnequbit fra Alices foton til Bobs. Illustrasjonen nedenfor beskriver prosessen litt mer detaljert.
En annen måte å tenke på: det sammenfiltrede paret av fotoner er som de to endene av en virtuell, engangsdatakabel. Hver gang Alice og Bob vil sende data, mottar de først en ny kabel, og fordi hver av dem holder den ene enden, er det bare de som kan bruke den. Det er det som gjør den sikker mot avlytting.
ms tech
Det er forskjellige måter i praksis å lage sammenfiltrede qubits. Hanson, som leder maskinvaresiden av QuTechs initiativ, bruker mikroskopiske syntetiske diamanter med en bevisst feil kjent som en ledig nitrogendefekt. Denne defekten kan manipuleres ved hjelp av lys og mikrobølger for å sende ut fotoner som kan sendes til fjerne steder.
Å få dette til å skalere er imidlertid en enorm vitenskapelig og ingeniørmessig utfordring, som Hanson lett erkjenner. Vi kan prøve å lage langdistanseforviklinger, men det mislykkes som oftest, sier han. Gitt at fiberoptiske kabler noen ganger tar rundkjøringsruter, vil avstandene fotonene må reise i QuTech-prosjektet sannsynligvis være lengre enn de direkte som vises på kartet vårt.
Likevel har det vært oppmuntrende fremgang. Tilbake i 2015 klarte Hanson og en gruppe andre forskere å vikle qubits 1,3 kilometer (0,8 miles) fra hverandre, men forbindelsen kunne opprettes bare én gang i timen og varte i en brøkdel av et sekund. I juni i år kunngjorde forskerne at de hadde viklet inn to elektroner med et par meters mellomrom 40 ganger i sekundet. Dette gjorde dem til de første i verden som viste det sammenfiltring på forespørsel er mulig.
Laserbølgemaker
Det eksperimentet fant sted i et laboratorium. Å replikere det i den virkelige verden er en annen sak. De tekniske hindringene inkluderer ikke bare å øke hastigheten på sammenfiltring og opprettholde den over mye lengre avstander, men også å utføre et delikat fysikktriks som bruker laserpulser for å øke fotoners bølgelengder slik at de kan reise lenger over fiberoptiske kabler.
Mens Hanson er fokusert på disse utfordringene, har Wehner ledet nettverksdesignet og programvareinnovasjonen som trengs for å gjøre firebyforbindelsen til en realitet. Programvare som brukes til å kontrollere klassiske kommunikasjonsnettverk kan ikke takle ting som sammenfiltring, så Wehner har jobbet med en ny arkitektur som vil gjøre det mulig å kontrollere det nye kvantenettverket effektivt og bygge applikasjoner for det.
På et nylig hackathon som QuTech organiserte sammen med Europas regionale internettregister, inkluderte de foreslåtte applikasjonene sikker stemmegivning, digitale signaturer og til og med en kvantechattjeneste.
QuTech-teamet virker fast bestemt på å nå målet om å fullføre firebynettverket innen utgangen av 2020, selv om Wehner innrømmer at tidsfristen er veldig stram. Det de lærer vil informere om et nylig lansert europeisk prosjekt, Quantum Internet Alliance (QIA). Wehner koordinerer alliansen , hvis mål er å bygge et kvanteinternett som muliggjør kvantekommunikasjonsapplikasjoner mellom to punkter på jorden.
Det er ambisiøst, for å si det mildt. Mens Nederland er et nyttig testområde, er avstandene mellom byene der ganske små. Større nettverk vil sannsynligvis kreve kvanterepetere. I motsetning til de pålitelige nodene i Kinas nettverk, som gjør kvanteinformasjon til klassisk form og deretter tilbake igjen, vil disse repeaterne, eller mellomstasjoner med kvanteprosessorer, være nødvendige for å utvide sammenfiltringen over tusenvis av miles, slik at nettverk forblir ugjennomtrengelige for hackere.
Stephanie Wehner og Ronald Hanson Marieke de Lorjin | QuTech
Ulike forskere, inkludert et team ved QuTech, jobber med denne ideen, men den er fortsatt i sin spede begynnelse. Det er mye vakker teori der ute, sier Tracy Northup, professor ved University of Innsbruck som også er involvert i QIA, men det er ikke engang et prinsippbevis i laboratoriet ennå.
Forutsatt at et kvanteinternett blir en realitet, vil det reise viktige spørsmål. Vil det være tilgjengelig for alle, eller vil selskaper og myndigheter med dype lommer bruke kvantebaner mens andre blir overført til mindre sikre klassiske? Og vil regjeringer begynne å insistere på at de trenger spesielle tilgangspunkter til kvantenettverk, akkurat som de nå agiterer for bakdører til programvare og smarttelefoner?
Hvis QuTech-teamet kan overvinne de tekniske hindringene det står overfor, kommer vi et stort skritt nærmere. Og forskerne i Nederland er ikke de eneste å holde øye med. Kina legger ut en plan for et fullstendig kvantekommunikasjonsnettverk som vil knytte byen Zhuhai til Hong Kong. Og med Micius og deres eksisterende landbaserte nettverk, har kineserne vist hvor raskt de kan avansere. Kappløpet mot et kvanteinternett er i gang.