Eerste experimentele demonstratie van een Quantum Enigma-machine

Een van de grote onbezongen helden van de 20e-eeuwse wetenschap was een wiskundige en ingenieur bij de beroemde Bell Laboratories in New Jersey, Claude Shannon genaamd. Tijdens de jaren '40, '50 en '60 legde Shannon de wiskundige basis voor moderne communicatie en computers terwijl hij enkele van de eerste intelligente machines bouwde.

Onderweg leverde hij ook een grote bijdrage aan de theorie van cryptografie met een paper getiteld Communication Theory of Secrecy Systems, gepubliceerd in 1949. Daarin bewees hij dat het mogelijk is om een ​​perfect veilig bericht te verzenden, op voorwaarde dat de coderingssleutel volledig willekeurig is en slechts één keer gebruikt.

Het werk van Shannon is het wiskundige bewijs dat de one-time pad een echt onbreekbare vorm van codering is. Een kritische voorwaarde is dat de encryptiesleutel minimaal zo lang moet zijn als het bericht zelf.

De eerste kwantum enigma machine.

Het werk van Shannon gaat ervan uit dat het bericht wordt verzonden met behulp van conventionele vormen van verzending. Maar in de afgelopen 10 jaar hebben kwantumfysici aangetoond dat het mogelijk is om het beter te doen als het bericht wordt versleuteld met behulp van kwantumregels. Ze hebben met name aangetoond dat in de kwantumwereld een veilig bericht kan worden verzonden met een sleutel die aanzienlijk korter is dan het bericht zelf. In theorie althans.

Onderzoekers hebben dit apparaat een kwantum enigma-machine gedoopt, naar het nazi-coderingsapparaat dat codebrekers onder leiding van Alan Turing tijdens de Tweede Wereldoorlog hebben gekraakt. Maar het apparaat is volledig theoretisch geweest.

Tot nu. Vandaag onthullen Daniel Lum van de Universiteit van Rochester in de staat New York en een paar vrienden voor het eerst een echt werkende kwantum enigma-machine. Hun proof-of-principle-apparaat is in staat om perfect beveiligde berichten te verzenden met een sleutel die korter is dan het bericht zelf.

Een one-time pad werkt door een willekeurig nummer toe te voegen aan elk cijfer in een bericht. Dat maakt het bericht niet te onderscheiden van een willekeur. Het kan alleen worden gelezen door dezelfde willekeurige getallen af ​​te trekken om het oorspronkelijke bericht te produceren.

De geheimhouding hangt af van het feit dat de zender en ontvanger de enige mensen zijn met de lijst met willekeurige getallen. En natuurlijk moet deze lijst langer zijn dan het bericht zelf.

De kwantumversie van dit proces werkt door informatie in een kwantumobject zoals een foton te coderen en vervolgens de toestand van het foton met een willekeurige bewerking te veranderen. De informatie kan alleen worden opgehaald door de willekeurige bewerking om te keren. Dus zolang alleen de zender en ontvanger de volgorde van willekeurige bewerkingen kennen - de kwantumsleutel - en deze sleutel maar één keer wordt gebruikt, is het bericht volkomen veilig.

Kwantumtheoretici hebben echter aangetoond dat de kwantumsleutel exponentieel korter kan zijn dan de boodschap zelf.

Nu hebben Lum en co een zender en ontvanger gebouwd die gebruik maken van dit mechanisme. Hun apparaat bestaat uit een fotonenkanon dat afzonderlijke fotonen afvuurt door een soort masker, een ruimtelijke lichtmodulator genaamd, die informatie op het golffront van het foton plaatst. Als deze modulator uit een 8 x 8 array bestaat, kan hij 64 bits informatie coderen. Tegelijkertijd voegt de ruimtelijke lichtmodulator een willekeurig signaal toe aan de informatie die hij verzendt.

Het belangrijke punt is dat alle informatie die op het foton is gecodeerd, willekeurig wordt verdeeld door een willekeurig signaal. Dus de reeks willekeurige signalen die voor codering wordt gebruikt, kan aanzienlijk korter zijn dan het bericht zelf.

Dat zorgt voor een belangrijke wending. Omdat het bericht korter is dan de sleutel, is het ook mogelijk om een ​​nieuwe sleutel te verzenden voor het coderen van het volgende bericht. Op deze manier worden het bericht en de nieuwe sleutel tegelijkertijd verzonden en blijven beide volledig geheim.

De ontvanger detecteert elk foton met behulp van een lichtgevoelige array die het patroon kan onderscheiden dat op het foton is gesuperponeerd. Vervolgens trekt het het willekeurige signaal af dat het oorspronkelijke bericht verlaat.

Lum en co hebben precies dit gedaan. We hebben het fenomeen gedemonstreerd met een proof-of-principle-experiment om 6 bits per foton te vergrendelen terwijl minder dan 6 bits per foton van de geheime sleutel worden gebruikt, zegt het team. Met andere woorden, deze jongens hebben de eerste proof-of-principle quantum enigma-machine gebouwd.

Dat is een interessant resultaat dat onmiddellijk toepasbaar is. Natuurkundigen gebruiken al kwantummechanica om perfect beveiligde berichten te verzenden met behulp van een techniek die kwantumsleuteldistributie wordt genoemd. De technieken om dit te doen worden steeds geavanceerder. Er zijn inderdaad al commerciële versies van dit soort kwantumversleuteling op de markt.

Lum en co zeggen dat de technologie en technieken die zijn ontwikkeld voor de distributie van kwantumsleutels onmiddellijk kunnen worden toegepast op het bouwen van kwantum enigma-machines. Er is dus geen reden waarom de techniek in de nabije toekomst niet gecommercialiseerd kan worden. Shannon zou zeker onder de indruk zijn.

Referentie: arxiv.org/abs/1605.06556 : Een Quantum Enigma Machine: Experimenteel demonstreren van Quantum Data Locking

zich verstoppen