MIT: Europa dąży do stworzenia nieakceptowalnego Internetu kwantowego

TSzybki pociąg z Paryża do Rotterdamu spóźnił się o godzinę od dworca Gare du Nord. Kiedy ostatecznie zdeponował mnie w holenderskim mieście, odkryłem, że dalszy pociąg do Delft został zawieszony z powodu prac konserwacyjnych na torach. Minęły dwie okrężne podróże autobusem i taksówka, zanim w końcu dotarłem do celu.

Biorąc pod uwagę, że byłem tam, aby dowiedzieć się o przyszłości komunikacji, wydawało się to właściwe. Moja podróż była przypomnieniem, że podczas gdy wysyłanie ludzi z miejsca na miejsce wciąż jest obarczone nieprzewidzianymi usterkami, olbrzymie ilości danych przepływają płynnie i szybko przez cały dzień, każdego dnia przez światłowody łączące miasta, kraje i całe kontynenty.

A jednak te sieci danych mają słabość: można je zhakować. Wśród tajnych dokumentów wyciekłych kilka lat temu przez wykonawcę amerykańskiej agencji bezpieczeństwa narodowego Edwarda Snowdena były te, które wykazały, że zachodnim agencjom wywiadowczym udało się podłączyć do kabli komunikacyjnych i szpieguj ogromne ilości ruchu przepływającego przez nie.

Instytut badawczy, który odwiedziłem w Delft, QuTech, pracuje nad systemem, który może uniemożliwić tego rodzaju nadzór. Chodzi o to, aby wykorzystać mechanikę kwantową do stworzenia bezbłędnie bezpiecznej sieci komunikacyjnej między Delft a trzema innymi miastami w Holandii do końca 2020 (planowane połączenia znajdują się na poniższej mapie).

Badacze QuTech, pod kierownictwem Stephanie Wehner i Ronalda Hansona, wciąż stoją przed wieloma trudnymi wyzwaniami technicznymi. Ale jeśli im się powiedzie, ich projekt może katalizować przyszły internet kwantowy - w taki sam sposób, w jaki Arpanet, utworzony przez amerykański Departament Obrony pod koniec 1960, zainspirował do stworzenia Internetu, jaki znamy dzisiaj.

Niepowtarzalne kubity

Internet jest podatny na hakowanie ujawnione przez Snowdena, ponieważ dane wciąż przesyłane są kablami w postaci klasycznych bitów - strumienia impulsów elektrycznych lub optycznych reprezentujących 1si 0s. Hakerowi, któremu udało się podłączyć kable, można odczytać i skopiować te fragmenty podczas transportu.

Z drugiej strony, prawa fizyki kwantowej pozwalają cząstce - na przykład atomowi, elektronowi lub (do transmisji kablami optycznymi) fotonowi światła - zająć stan kwantowy, który reprezentuje kombinację 1 i 0 równocześnie. Taka cząstka nazywa się bitem kwantowym lub kubitem. Kiedy próbujesz obserwować kubit, jego stan „zapada się” do obu 1 or 0. To, wyjaśnia Wehner, oznacza, że ​​jeśli haker wejdzie w strumień kubitów, intruz zarówno niszczy informacje kwantowe w tym strumieniu, jak i pozostawia wyraźny sygnał, że został zmieniony.

Ze względu na tę właściwość qubity były używane od dłuższego czasu do generowania kluczy szyfrowania w procesie znanym jako kwantowa dystrybucja klucza (QKD). Obejmuje to przesyłanie danych w klasycznej formie przez sieć, podczas gdy klucze potrzebne do odszyfrowania danych są przesyłane osobno w stanie kwantowym.

Chiny zademonstrowały imponujące zastosowania QKD. W zeszłym roku używał satelity o nazwie Micius do przesyłaj klucze kwantowe do dwóch stacji naziemnych, jednej w Pekinie i drugiej w Wiedniu. Klucze zostały następnie wykorzystane do odszyfrowania klasycznych danych w celu bezpiecznego połączenia wideo między dwoma miastami. Wszelkie próby przechwycenia komunikacji zawierającej klucze zniszczyłyby je, uniemożliwiając szpiegom (lub komukolwiek innemu) odszyfrowanie połączenia wideo. Chiny zbudowały również lądową sieć komunikacyjną QKD od Pekinu do Szanghaju, której banki i inne firmy używają do przesyłania wrażliwych danych handlowych.

Podejście to ma jednak ograniczenia. Fotony mogą być absorbowane w atmosferze lub przez materiały w kablach, co oznacza, że ​​zazwyczaj mogą podróżować nie dłużej niż kilkadziesiąt kilometrów. Sieć Pekin-Szanghaj rozwiązuje ten problem, mając w różnych punktach tak zwane „zaufane węzły” 32 - podobnie jak repeatery wzmacniające sygnał w zwykłym kablu danych. W tych węzłach klucze są odszyfrowywane do postaci klasycznej, a następnie ponownie szyfrowane w świeżym stanie kwantowym w celu ich podróży do następnego punktu trasy. Ale to oznacza, że ​​zaufanym węzłom naprawdę nie należy ufać. Haker, który naruszy swoje bezpieczeństwo, może nie wykryć klasycznych kluczy, podobnie jak firma lub rząd zarządzający węzłami.

Teleportacja kwantowa

Wehner, Hanson i ich koledzy z QuTech starają się przezwyciężyć te ograniczenia, aby zbudować całkowicie bezpieczny internet kwantowy.

Podejście, którego używają, nazywa się teleportacją kwantową. Może to brzmieć jak science fiction, ale jest to faktyczna metoda przesyłania danych. Opiera się na zjawisku znanym jako splątanie kwantowe.

Splątanie oznacza w tym celu utworzenie pary kubitów - fotonów światła - w jednym stanie kwantowym, tak że nawet jeśli odlecą w przeciwnych kierunkach, zachowają połączenie kwantowe. Zmiana stanu jednego fotonu spowoduje natychmiastową zmianę stanu drugiego fotonu w przewidywalny sposób, bez względu na to, jak daleko są od siebie oddalone. Albert Einstein nazwał to „upiorną akcją na odległość”.

Teleportacja kwantowa wymaga zatem wysłania pary splątanych fotonów do dwóch osób - nazywaj je Alice i Bob. Alice otrzymuje swój splątany foton i pozwala mu oddziaływać z „kubitem pamięci”, który przechowuje dane, które chce przesłać Bobowi. Ta interakcja zmienia stan jej fotonu, a tym samym zmienia także stan fotonu Boba. W efekcie to „teleportuje” dane w kubicie pamięci Alicji z fotonu Alicji do Boba. Poniższa ilustracja przedstawia proces bardziej szczegółowo.

Można o tym myśleć inaczej: splątana para fotonów jest jak dwa końce wirtualnego, jednorazowego kabla do transmisji danych. Za każdym razem, gdy Alicja i Bob chcą wysłać dane, najpierw otrzymują nowy kabel, a ponieważ każdy z nich ma jeden koniec, tylko oni mogą go używać. To sprawia, że ​​jest zabezpieczony przed podsłuchem.

Przeczytaj całą historię tutaj…