211service.com
Quantum Breakthrough varsler ny generasjon av perfekt sikre meldinger
Tilbake på 1980-tallet oppdaget kvantefysikere at kvantemekanikkens merkelige regler tillot informasjon å sendes fra en del av universet til en annen med fullstendig privatliv. Denne såkalte kvantekryptografien ville være perfekt, sa de, fordi sikkerheten til meldingen ville være garantert av selve fysikkens lover.
I løpet av få år demonstrerte forskere teknikken i laboratoriet, og i dag er kvantekryptografi i ferd med å bli kommersielt levedyktig takket være selskaper som ID Quantique i Genève, Sveits.
Men hele mekanismen er litt kontraintuitiv. Den private meldingen sendes ikke ved hjelp av kvantemekanikk i det hele tatt. I stedet bruker fysikere kvanteprosesser for å sende en kode kalt en engangsblokk som brukes til å kryptere den opprinnelige meldingen. Den krypterte meldingen sendes så over en vanlig telekommunikasjonskanal og dekodes på vanlig måte. Teknikken kalles kvantenøkkelfordeling.
Alice og Bob kan utveksle helt sikre meldinger ved hjelp av den nye kvanteteknikken.
Dataforskere vet at en melding som er kodet ved hjelp av en engangsblokk, ikke kan brytes. Så sikkerheten kommer fra muligheten til å sende engangsblokken med perfekt personvern, noe denne tilnærmingen garanterer.
Og det reiser et interessant spørsmål. Hvis det er mulig å sende engangsblokken sikkert ved hjelp av kvantemekanikk, hvorfor ikke bare sende den originale meldingen på den måten?
I dag sier Wei Zhang ved Tsinghua University i Beijing og noen få venner at de har gjort nettopp dette. Den nye prosessen kalles kvantesikker direktekommunikasjon, og det kinesiske teamet har brukt den gjennom 500 meter fiberoptisk kabel for første gang.
Grunnen til at fysikere har stolt på engangsputer tidligere er enkel. Spørsmålet er om en melding har blitt overhørt. Fysikere kan sjekke dette fordi kvantepartikler ikke kan måles uten å ødelegge informasjonen de inneholder.
Så når fotoner overføres, hvis de ankommer i samme tilstand som de ble sendt i, kan ikke en avlytter ha hentet ut informasjonen de inneholder. Men hvis de kommer i en annen tilstand, er det et klart bevis på at informasjonen har lekket ut i miljøet og at meldingen ikke er sikker.
(I praksis kan fysikere være sikre på at en melding er sikker så lenge denne lekkasjen er under en kritisk terskel.)
Problemet er at lekkasjen blir synlig først etter at den har oppstått. Så en avlytter ville allerede ha informasjonen når fysikere fant ut om listen.
Det er derfor de bruker denne prosessen til å sende en engangsblokk, et sett med tilfeldige tall som kan brukes til å kryptere en melding. Hvis engangsblokken blir overhørt, ignorerer fysikerne den og sender en annen, til de kan være sikre på at prosessen var helt privat.
Men fysikere ville elsket å gjøre unna engangsblokken hvis de kunne finne en måte å sikre hemmeligholdet til en melding før den sendes. Og for noen år siden utviklet teoretikere en måte å gjøre dette på.
Metoden utnytter kvantefenomenet sammenfiltring. Dette skjer når kvantepartikler er så nært knyttet at de deler samme eksistens - for eksempel når de begge er skapt på samme tid og sted.
Når dette skjer, forblir partiklene knyttet sammen, selv når de er adskilt med store avstander. Og en måling på en partikkel påvirker umiddelbart tilstanden til den andre.
Så trikset er å lage et sett med sammenfiltrede partikler, som fotoner, og kode informasjon i deres polarisasjonstilstand. Så vertikal polarisering kan representere a en og horisontal polarisering a 0 , for eksempel.
Avsenderen, Alice, beholder halvparten av hvert par og sender de andre til Bob, som deretter har et sett med fotoner som er viklet inn i Alices fotoner.
Bob deler fotonene sine tilfeldig i to grupper. Han måler polarisasjonene til ett sett og sender resultatene tilbake til Alice. Hun sjekker deretter om tilstandene har endret seg under overføringen - med andre ord om Eve har lyttet.
Hvis ikke, så vet Alice og Bob at Eve ikke kan ha sett de andre fotonene heller, fordi de har blitt separert tilfeldig. Og det betyr at Alice og Bob kan bruke de gjenværende fotonene til å overføre data ved å bruke den normale prosessen med kvantekommunikasjon, som er helt privat.
Og det er akkurat det Zhang og co har gjort. En grunn til at eksperimentet er vanskelig er at fotonene må lagres mens denne kontrollprosessen pågår. Zhang og co gjør dette ved å sende fotonene rundt en to kilometer lang sløyfe med optisk fiber og utføre kontrollene så raskt som mulig. Jo lengre tid det tar, jo mer sannsynlig er det at fotonene blir absorbert eller spredt av den optiske fiberen.
Resultatene viser tydelig potensialet i teknikken. Dette fiberbaserte QSDC-systemet har potensiale til å realisere en overføringshastighet nær sikkerhetsnøkkelratene til gjeldende kommersielle kvantenøkkeldistribusjonssystemer, sier Zhang og co. Fordelen [er] at QSDC-systemet kunne overføre ikke bare sikre nøkler, men også informasjonen direkte.
Selvfølgelig er ulike forbedringer nødvendig for å gjøre denne typen system kommersielt levedyktig. Men arbeidet er et viktig springbrett mot en fullstendig kvantebasert sikker kommunikasjon. Banker, regjeringer og militære byråer vil følge ivrig med.
Ref: arxiv.org/abs/1710.07951 : Eksperimentell langdistanse Quantum Secure Direct Communication