211service.com
Ny rekord for kvantekryptering
Europæiske videnskabsmænd har slået en afstandsrekord for at sende kvanteinformation fra et sted til et andet, hvilket baner vejen for et system, der er afhængigt af fysikkens love til at levere kommunikation, der ikke kan aflyttes. Hvis de kan udvide rækkevidden af deres signal lidt længere, vil de være i stand til at bruge satellitter til at sende perfekt sikre data rundt i verden.
Lang distance opkald: Sammenfiltrede fotoner blev sendt 144 kilometer fra en lyskilde på La Palma til en modtager på Tenerife (øverst) anbragt i et lokalt observatorium (nederst).
Holdet brugte kvantemekanikkens principper til at skabe en krypteringsnøgle to steder samtidigt: en i et laboratorium på La Palma på De Kanariske Øer og den anden i et observatorium på naboøen Tenerife, 144 kilometer væk. En sådan krypteringsnøgle kan bruges til at kode data, som kun afsender og modtager kan afkode.
Vi vil se, om det overhovedet er muligt at etablere verdensomspændende kvantekommunikation, verdensomspændende kvantekryptografi, siger Anton Zeilinger , professor i fysik ved Institut for Eksperimentel Fysik ved Universitetet i Wien, Østrig. Hans hold, sammen med et hold ledet af Harald Weinfurter af Max Planck Institut for Kvanteoptik , i Garching, Tyskland, offentliggjorde sine resultater online den 3. juni i tidsskriftet Naturfysik .
For at skabe nøglen skulle holdet først skabe par af sammenfiltrede fotoner. Entanglement, som Albert Einstein kaldte uhyggelig handling på afstand, betyder, at den ene fotons skæbne hænger sammen med den andens skæbne. Måling af en hvilken som helst kvantemekanisk egenskab for en foton ændrer automatisk den samme egenskab i dens sammenfiltrede partner, uanset afstanden mellem dem.
I dette tilfælde målte holdet polarisering. Lys kan polariseres i enhver retning; det er et mål for, hvilken retning lysbølgerne svinger i-vandret eller lodret, for eksempel. Forskere skabte sammenfiltrede par fotoner ved at affyre en kraftig laserstråle gennem en krystal. For hver foton, der gik ind, kom der to svagere, sammenfiltrede fotoner ud. Forskerne kastede den ene halvdel af hvert par af et spejl til en lokal lysdetektor på La Palma. De sendte den anden foton gennem en linse og ud over vandet, hvor et teleskop på Tenerife fangede den og sendte den til en anden lysdetektor.
Jeg har disse to fotoner, og hvis jeg måler dem i begge ender, og jeg spørger dem: ’Er du vandret eller lodret polariseret?’ – et binært valg – vil de give et tilfældigt svar, siger Zeilinger. Men på grund af forviklingen vil begge give det samme svar. På begge sider får du et nul eller på begge sider får du et et.
Hver gang detektorerne registrerede en foton og målte dens polarisering, talte det som en smule. En foton polariseret i én retning var en et, og en foton polariseret i den modsatte retning var et nul. Tilføj nok bits sammen, og du får en krypteringsnøgle. Og det er umuligt at stjæle den nøgle, uden at brugerne ved om det. Hvis nogen skulle opsnappe de flyvende fotoner, kunne han selv måle dem og derefter sende dem videre til modtageren. Men handlingen med at måle dem ville ændre deres kvantemekaniske egenskaber, så han ville blive afsløret med det samme.
Krypteringsnøgler, der bruges i dag, er afhængige af troen på, at det kræver enorme computerressourcer at bryde dem, siger Jeffrey Shapiro , fra MIT's Optisk og kvantekommunikationsgruppe . Men hvis nogen opfinder en langt kraftigere kvantecomputer, ville den fordel gå tabt. Derudover er de tilfældige sekvenser af tal, der genereres for at lave nutidens krypteringsnøgler, ikke rigtig tilfældige. De er genereret af matematiske operationer, og en smart kodebryder kan muligvis finde ud af den algoritme, der bruges til at generere dem. Kvantebits er på den anden side fuldstændig uforudsigelige, så nøglerne baseret på dem burde være ubrydelige. Det appellerer til virksomheder, der ønsker at sende finansielle data sikkert, såvel som til regeringer, som har alle mulige former for følsom kommunikation. Vi ved alle, at sikkerheden af data er et af de væsentlige spørgsmål i disse dage, siger Zeilinger.
Jeg synes, det er vidunderligt arbejde, siger Shapiro om den europæiske gruppes papir. Det imponerende ved dette er, at de har gjort det over så lang afstand.
Det bedste, forskerne tidligere havde gjort, var at opdage sammenfiltrede fotoner over afstande på omkring 10 kilometer. For at forbedre det skiftede Zeilingers team til en laser, der udsender lys i pulser i stedet for en kontinuerlig stråle. Den pulserende laser har kun en gentagelseshastighed på 249 megahertz - langt langsommere end de 10 gigahertz lasere, der almindeligvis bruges i optiske kommunikationsnetværk, hvilket begrænser, hvor meget af et signal, der kan sendes i en given tidsperiode. Den pulserende laser er heller ikke helt så god som den kontinuerlige til at producere sammenfiltring. Men det er tæt på, og det gav teammedlemmerne meget mere kontrol over, hvornår de producerede fotoner, hvilket hjalp dem med at adskille de fotoner, de ønskede, fra vildfarent lys ved detektoren, så de kunne læse signalet mere pålideligt. Forskerne skulle også håndtere atmosfærisk turbulens, der forvrænger fotonernes vej. De brugte et automatiseret system, der løbende justerede justeringen af teleskopet for at tage sig af det, selvom lysstrålen stadig vandrede noget hen over detektoren.
Håbet, siger Zeilinger, er at forbedre laserne og detektorerne nok til, at sådanne frirumsforbindelser fungerer mellem jordstationer og satellitter, så krypteringsnøgler kan sendes fra hvor som helst på Jorden til enhver anden. Da de fleste kommunikationssatellitter kredser i højder på 300 til 500 kilometer, med vores 144 kilometer, når vi dertil, siger han.
Det faktum, at holdet tilbagelagde den afstand i fri plads, er bestemt meget vigtigt, siger Prem Kumar , direktør for Center for Fotonisk Kommunikation og Computing ved Northwestern University. Han har sendt sammenfiltrede fotoner over optisk fiber, hvilket er fint til korte afstande, siger han. Men fordi fiber absorberer fotoner, er det ikke praktisk i mere end 100 til 200 kilometer, hvilket ikke ville give mulighed for verdensomspændende distribution.
Forskerne er en del af et europæisk konsortium på omkring 20 grupper, kaldet SECOQC, der arbejder på sikker kommunikation baseret på kvantekryptografi. Konsortiet sigter mod at teste et sikkert system i Europa engang næste år.