211service.com
Nieuw record voor kwantumcryptografie
Europese wetenschappers hebben een afstandsrecord verbroken voor het verzenden van kwantuminformatie van de ene plaats naar de andere, wat de weg vrijmaakt voor een systeem dat afhankelijk is van de natuurwetten om communicatie te bieden die niet kan worden afgetapt. Als ze het bereik van hun signaal nog iets verder kunnen vergroten, kunnen ze satellieten gebruiken om perfect beveiligde gegevens de wereld rond te sturen.
Langeafstandsgesprek: Verstrengelde fotonen werden 144 kilometer van een lichtbron op La Palma naar een ontvanger op Tenerife (boven) gestuurd die in een lokaal observatorium (onder) was gehuisvest.
Het team gebruikte principes van kwantummechanica om een encryptiesleutel op twee locaties tegelijk te creëren: één in een laboratorium op La Palma, op de Canarische Eilanden, en de tweede in een observatorium op het naburige eiland Tenerife, 144 kilometer verderop. Een dergelijke coderingssleutel kan worden gebruikt om gegevens te coderen die alleen de zender en de ontvanger kunnen decoderen.
We willen zien of het überhaupt mogelijk is om wereldwijde kwantumcommunicatie, wereldwijde kwantumcryptografie tot stand te brengen, zegt Anton Zeilinger , een professor in de natuurkunde aan het Instituut voor Experimentele Fysica van de Universiteit van Wenen, Oostenrijk. Zijn team, samen met een team onder leiding van Harald Weinfurter van de Max Planck Instituut voor Quantum Optica , in Garching, Duitsland, publiceerde zijn resultaten op 3 juni online in het tijdschrift Natuurfysica .
Om de sleutel te maken, moest het team eerst paren verstrengelde fotonen maken. Verstrengeling, door Albert Einstein spookachtige actie op afstand genoemd, betekent dat het lot van het ene foton verbonden is met het lot van het andere. Het meten van een kwantummechanische eigenschap van een foton verandert automatisch diezelfde eigenschap in zijn verstrengelde partner, ongeacht de afstand ertussen.
In dit geval heeft het team polarisatie gemeten. Licht kan in elke richting worden gepolariseerd; het is een maat voor in welke richting de lichtgolven fluctueren, bijvoorbeeld horizontaal of verticaal. Onderzoekers creëerden verstrengelde fotonenparen door een krachtige laserstraal door een kristal te schieten. Voor elk foton dat erin ging, kwamen er twee zwakkere, verstrengelde fotonen uit. De onderzoekers stuiterden de helft van elk paar van een spiegel naar een lokale lichtdetector op La Palma. Ze stuurden het andere foton door een lens en over het water, waar een telescoop op Tenerife het opving en naar een tweede lichtdetector stuurde.
Ik heb deze twee fotonen, en als ik ze aan beide uiteinden meet en ik vraag: 'Ben je horizontaal of verticaal gepolariseerd?' - een binaire keuze - geven ze een willekeurig antwoord, zegt Zeilinger. Maar door de verstrengeling zullen beide hetzelfde antwoord geven. Aan beide kanten krijg je een nul of aan beide kanten krijg je een één.
Elke keer dat de detectoren een foton registreerden en de polarisatie ervan maten, telde dat als een bit. Een in de ene richting gepolariseerd foton was een één en een in de tegenovergestelde richting gepolariseerd foton was een nul. Tel genoeg bits bij elkaar op en je krijgt een coderingssleutel. En het is onmogelijk om die sleutel te stelen zonder dat de gebruikers ervan op de hoogte zijn. Als iemand de vliegende fotonen zou onderscheppen, zou hij ze zelf kunnen meten en vervolgens doorsturen naar de ontvanger. Maar het meten ervan zou hun kwantummechanische eigenschappen veranderen, dus hij zou onmiddellijk worden blootgesteld.
Versleutelingssleutels die tegenwoordig worden gebruikt, zijn gebaseerd op de overtuiging dat er enorme computerbronnen nodig zijn om ze te kraken, zegt Jeffrey Shapiro , van MIT's Optische en Quantum Communicatie Groep . Maar als iemand een veel krachtigere kwantumcomputer uitvindt, zou dat voordeel verloren gaan. Bovendien zijn de willekeurige reeksen getallen die worden gegenereerd om de coderingssleutels van vandaag te maken, niet echt willekeurig. Ze worden gegenereerd door wiskundige bewerkingen en een slimme codebreker kan mogelijk achterhalen welk algoritme wordt gebruikt om ze te genereren. Quantum bits zijn daarentegen volledig onvoorspelbaar, dus de sleutels die erop gebaseerd zijn, zouden onbreekbaar moeten zijn. Dat is aantrekkelijk voor bedrijven die financiële gegevens veilig willen verzenden, maar ook voor overheden, die allerlei gevoelige communicatie hebben. We weten allemaal dat de beveiliging van gegevens tegenwoordig een van de essentiële zaken is, zegt Zeilinger.
Ik vind het prachtig werk, zegt Shapiro over de krant van de Europese groep. Het indrukwekkende hieraan is dat ze het over zo'n lange afstand hebben gedaan.
Het beste dat onderzoekers eerder hadden gedaan, was verstrengelde fotonen detecteren over afstanden van ongeveer 10 kilometer. Om dat te verbeteren, stapte het team van Zeilinger over op een laser die licht in pulsen uitstraalt in plaats van een continue straal. De gepulseerde laser heeft slechts een herhalingssnelheid van 249 megahertz - veel langzamer dan de 10 gigahertz-lasers die gewoonlijk worden gebruikt in optische communicatienetwerken, wat beperkt hoeveel van een signaal in een bepaalde tijdsperiode kan worden verzonden. De gepulseerde laser is ook niet zo goed als de continue laser in het produceren van verstrengeling. Maar het is dichtbij en het gaf de teamleden veel meer controle over wanneer ze fotonen produceerden, waardoor ze de fotonen die ze wilden scheiden van strooilicht bij de detector, zodat ze het signaal betrouwbaarder konden lezen. De onderzoekers hadden ook te maken met atmosferische turbulentie die het pad van de fotonen verstoort. Daarvoor gebruikten ze een geautomatiseerd systeem dat de uitlijning van de telescoop voortdurend aanpaste, al dwaalde de lichtstraal nog wel wat over de detector.
De hoop, zegt Zeilinger, is om de lasers en detectoren voldoende te verbeteren zodat dergelijke vrije-ruimteverbindingen tussen grondstations en satellieten werken, zodat coderingssleutels van elke plaats op aarde naar een andere kunnen worden verzonden. Aangezien de meeste communicatiesatellieten op een hoogte van 300 tot 500 kilometer draaien, met onze 144 kilometer komen we er wel, zegt hij.
Het feit dat het team die afstand in de vrije ruimte heeft afgelegd, is zeker heel belangrijk, zegt Prem Kumar , directeur van de Centrum voor Fotonische Communicatie en Computing aan de Northwestern University. Hij heeft verstrengelde fotonen over glasvezel gestuurd, wat prima is voor korte afstanden, zegt hij. Maar omdat vezels fotonen absorberen, is het niet praktisch voor meer dan 100 tot 200 kilometer, wat geen wereldwijde distributie mogelijk zou maken.
De onderzoekers maken deel uit van een Europees consortium van ongeveer 20 groepen, genaamd SECOQC, dat werkt aan veilige communicatie op basis van kwantumcryptografie. Het consortium wil ergens volgend jaar een veilig systeem in Europa testen.