Første eksperimentelle demonstration af en Quantum Enigma Machine

En af det 20. århundredes store ubesungne helte var en matematiker og ingeniør ved de berømte Bell Laboratories i New Jersey kaldet Claude Shannon. I løbet af 1940'erne, 50'erne og 60'erne lagde Shannon det matematiske grundlag for moderne kommunikation og databehandling, mens han byggede nogle af de første intelligente maskiner.

Undervejs ydede han også et stort bidrag til teorien om kryptografi med et papir med titlen Communication Theory of Secrecy Systems, udgivet i 1949. Heri beviste han, at det er muligt at sende en perfekt sikker besked, forudsat at krypteringsnøglen er helt tilfældig og kun brugt én gang.

Shannons arbejde er det matematiske bevis på, at engangspuden er en virkelig ubrydelig form for kryptering. En kritisk betingelse er, at krypteringsnøglen skal være mindst lige så lang som selve meddelelsen.

Den første quantum enigma maskine.

Shannons arbejde antager, at beskeden sendes ved hjælp af konventionelle former for transmission. Men i de sidste 10 år har kvantefysikere vist, at det er muligt at gøre det bedre, hvis beskeden er krypteret ved hjælp af kvanteregler. De har især vist, at i kvanteverdenen kan en sikker besked sendes med en nøgle, der er væsentligt kortere end selve beskeden. I hvert fald i teorien.

Forskere har døbt denne enhed en quantum enigma-maskine efter den nazistiske krypteringsenhed, som kodebrydere ledet af Alan Turing knækkede under Anden Verdenskrig. Men enheden har været helt teoretisk.

Indtil nu. I dag løfter Daniel Lum ved University of Rochester i New York State og et par venner sløret for en faktisk fungerende kvante-gådemaskine for første gang. Deres proof-of-princip-enhed er i stand til at sende perfekt sikre beskeder ved hjælp af en nøgle, der er kortere end selve beskeden.

En engangsblok fungerer ved at tilføje et tilfældigt tal til hvert ciffer i en besked. Det gør, at budskabet ikke kan skelnes fra en tilfældighed. Den kan kun læses ved at trække de samme tilfældige tal fra for at frembringe den oprindelige besked.

Hemmeligheden afhænger af, at sender og modtager er de eneste personer med listen over tilfældige tal. Og selvfølgelig skal denne liste være længere end selve beskeden.

Kvanteversionen af ​​denne proces fungerer ved at indkode information i et kvanteobjekt såsom en foton og derefter ændre fotonens tilstand med en tilfældig operation. Informationen kan kun hentes ved at vende den tilfældige handling. Så så længe kun senderen og modtageren kender rækkefølgen af ​​tilfældige operationer - kvantenøglen - og at denne nøgle kun bruges én gang, er beskeden helt sikker.

Kvanteteoretikere har dog vist, at kvantenøglen kan være eksponentielt kortere end selve budskabet.

Nu har Lum og co bygget en sender og modtager, der udnytter denne mekanisme. Deres enhed består af en fotonpistol, der affyrer enkelte fotoner gennem en slags maske kaldet en rumlig lysmodulator, som overlejrer information på fotonens bølgefront. Hvis denne modulator består af et 8 x 8 array, kan den kode 64 bit information. Samtidig tilføjer den rumlige lysmodulator et tilfældigt signal til den information, den transmitterer.

Det vigtige punkt er, at al informationen kodet på fotonen er randomiseret af et tilfældigt signal. Så rækkefølgen af ​​tilfældige signaler, der bruges til kryptering, kan være væsentligt kortere end selve beskeden.

Det giver et vigtigt twist. Fordi beskeden er kortere end nøglen, er det også muligt at sende en ny nøgle til indkodning af næste besked. På denne måde sendes beskeden og den nye nøgle på samme tid, og begge holdes helt hemmelige.

Modtageren detekterer hver foton ved hjælp af et lysfølsomt array, der kan udvælge det mønster, der er overlejret på fotonen. Det trækker derefter det tilfældige signal, der forlader den oprindelige besked.

Lum og co har gjort præcis dette. Vi demonstrerede fænomenet med et proof-of-principle-eksperiment for at låse 6 bits pr. foton, mens vi brugte mindre end 6 bits pr. foton af hemmelig nøgle, siger teamet. Med andre ord har disse fyre bygget den første proof-of-principle quantum enigma-maskine.

Det er et interessant resultat, der kan anvendes med det samme. Fysikere bruger allerede kvantemekanik til at sende perfekt sikre beskeder ved hjælp af en teknik kaldet kvantenøglefordeling. Teknikkerne til at gøre dette bliver mere og mere avancerede. Faktisk er der allerede kommercielle versioner af denne slags kvantekryptering på markedet.

Lum og co siger, at teknologien og teknikkerne, der er udviklet til distribution af kvantenøgler, umiddelbart kan anvendes til at bygge kvante-gådemaskiner. Så der er ingen grund til, at teknikken ikke kan kommercialiseres i den nærmeste fremtid. Shannon ville helt sikkert blive imponeret.

Ref: arxiv.org/abs/1605.06556 : En Quantum Enigma Machine: Eksperimentelt demonstrerer kvantedatalåsning

skjule