211service.com
Quantum Breakthrough varsler ny generation af perfekt sikre meddelelser
Tilbage i 1980'erne opdagede kvantefysikere, at kvantemekanikkens mærkelige regler tillod information at blive sendt fra en del af universet til en anden med fuldstændig privatliv. Denne såkaldte kvantekryptografi ville være perfekt, sagde de, fordi meddelelsens sikkerhed ville være garanteret af selve fysikkens love.
Inden for få år demonstrerede forskere teknikken i laboratoriet, og i dag er kvantekryptografi ved at blive kommercielt levedygtig takket være virksomheder som ID Quantique i Genève, Schweiz.
Men hele mekanismen er lidt kontraintuitiv. Den private besked sendes slet ikke ved brug af kvantemekanik. I stedet bruger fysikere kvanteprocesser til at sende en kode kaldet en engangspude, der bruges til at kryptere den originale besked. Den krypterede besked sendes derefter over en almindelig telekommunikationskanal og afkodes på sædvanlig vis. Teknikken kaldes kvantenøglefordeling.
Alice og Bob kan udveksle perfekt sikre beskeder ved hjælp af den nye kvanteteknik.
Dataloger ved, at en besked, der er kodet ved hjælp af en engangspude, ikke kan brydes. Så sikkerheden kommer fra evnen til at sende engangspuden med perfekt privatliv, hvilket er, hvad denne tilgang garanterer.
Og det rejser et interessant spørgsmål. Hvis det er muligt at sende engangspuden sikkert ved hjælp af kvantemekanik, hvorfor så ikke bare sende den originale besked på den måde?
I dag siger Wei Zhang på Tsinghua University i Beijing og et par venner, at de har gjort netop dette. Den nye proces kaldes kvantesikker direkte kommunikation, og det kinesiske team har brugt den gennem 500 meter fiberoptisk kabel for første gang.
Grunden til, at fysikere tidligere har været afhængige af engangspuder, er enkel. Det drejer sig om, hvorvidt en besked er blevet overhørt. Fysikere kan kontrollere dette, fordi kvantepartikler ikke kan måles uden at ødelægge den information, de indeholder.
Så når fotoner transmitteres, hvis de ankommer i samme tilstand, som de blev sendt i, kan en aflytning ikke have udtrukket den information, de indeholder. Men hvis de ankommer i en anden tilstand, er det et klart bevis på, at informationen er lækket ud i miljøet, og beskeden er ikke sikker.
(I praksis kan fysikere være sikre på, at en meddelelse er sikker, så længe denne lækage er under en kritisk tærskel.)
Problemet er, at lækagen først bliver synlig, efter at den er opstået. Så en aflytning ville allerede have informationen, når fysikerne fandt ud af listen.
Det er derfor, de bruger denne proces til at sende en engangsblok, et sæt tilfældige tal, der kan bruges til at kryptere en besked. Hvis engangspuden bliver overhørt, ignorerer fysikerne den og sender en anden, indtil de kan være sikre på, at processen var helt privat.
Men fysikere ville elske at gøre op med engangsblokken, hvis de kunne finde en måde at sikre hemmeligholdelsen af en besked, før den sendes. Og for nogle år siden fandt teoretikere på en måde at gøre dette på.
Metoden udnytter kvantefænomenet sammenfiltring. Dette sker, når kvantepartikler er så tæt forbundet, at de deler den samme eksistens - for eksempel når de begge er skabt på samme tid og sted.
Når dette sker, forbliver partiklerne forbundet, selv når de er adskilt af store afstande. Og en måling på en partikel påvirker umiddelbart den andens tilstand.
Så tricket er at skabe et sæt sammenfiltrede partikler, såsom fotoner, og indkode information i deres polarisationstilstand. Så vertikal polarisering kunne repræsentere en en og horisontal polarisering a 0 , for eksempel.
Afsenderen, Alice, beholder den ene halvdel af hvert par og sender de andre til Bob, som så har et sæt fotoner, der er viklet ind i Alices fotoner.
Bob adskiller sine fotoner tilfældigt i to grupper. Han måler polariseringerne af et sæt og sender resultaterne tilbage til Alice. Hun tjekker derefter, om tilstandene har ændret sig under transmissionen - med andre ord, om Eve har lyttet med.
Hvis ikke, så ved Alice og Bob, at Eva heller ikke kan have set de andre fotoner, fordi de er blevet adskilt tilfældigt. Og det betyder, at Alice og Bob kan bruge de resterende fotoner til at transmittere data ved hjælp af den normale proces med kvantekommunikation, som er helt privat.
Og det er præcis, hvad Zhang og co har gjort. En grund til, at eksperimentet er svært, er, at fotonerne skal opbevares, mens denne kontrolproces er i gang. Zhang og co gør dette ved at sende fotonerne rundt i en to kilometer lang sløjfe af optisk fiber og udføre kontrollen så hurtigt som muligt. Jo længere tid det tager, jo mere sandsynligt er det, at fotonerne bliver absorberet eller spredt af den optiske fiber.
Resultaterne viser tydeligt teknikkens potentiale. Dette fiberbaserede QSDC-system har potentialet til at realisere en transmissionshastighed tæt på sikkerhedsnøglehastighederne for nuværende kommercielle kvantenøgledistributionssystemer, siger Zhang og co. Fordelen [er], at QSDC-systemet kunne transmittere ikke kun sikre nøgler, men også informationen direkte.
Selvfølgelig er der behov for forskellige forbedringer for at gøre denne form for system kommercielt levedygtige. Men arbejdet er et vigtigt trædesten mod en fuldstændig kvantebaseret sikker kommunikation. Banker, regeringer og militære agenturer vil følge spændt med.
Ref: arxiv.org/abs/1710.07951 : Eksperimentel langdistance kvantesikker direkte kommunikation