211service.com
Quantum doorbraak luidt nieuwe generatie perfect beveiligde berichten in
In de jaren tachtig ontdekten kwantumfysici dat de vreemde regels van de kwantummechanica het mogelijk maakten om informatie van het ene deel van het universum naar het andere te sturen met volledige privacy. Deze zogenaamde kwantumcryptografie zou perfect zijn, zeiden ze, omdat de veiligheid van het bericht zou worden gegarandeerd door de natuurwetten zelf.
Binnen een paar jaar demonstreerden onderzoekers de techniek in het laboratorium en tegenwoordig wordt kwantumcryptografie commercieel levensvatbaar dankzij bedrijven zoals ID Quantique in Genève, Zwitserland.
Maar het hele mechanisme is een beetje contra-intuïtief. Het privébericht wordt helemaal niet verzonden met behulp van kwantummechanica. In plaats daarvan gebruiken natuurkundigen kwantumprocessen om een code te verzenden, een eenmalige pad genaamd, die wordt gebruikt om het oorspronkelijke bericht te coderen. Het versleutelde bericht wordt vervolgens via een gewoon telecommunicatiekanaal verzonden en op de gebruikelijke manier gedecodeerd. De techniek wordt kwantumsleuteldistributie genoemd.
Alice en Bob kunnen perfect beveiligde berichten uitwisselen met behulp van de nieuwe kwantumtechniek.
Computerwetenschappers weten dat een bericht dat is gecodeerd met een one-time pad niet kan worden verbroken. De veiligheid komt dus van de mogelijkheid om het one-time pad met perfecte privacy te verzenden, wat deze aanpak garandeert.
En dat roept een interessante vraag op. Als het mogelijk is om het one-time pad veilig te verzenden met behulp van kwantummechanica, waarom zou je dan niet gewoon het originele bericht op die manier verzenden?
Vandaag zeggen Wei Zhang van de Tsinghua Universiteit in Peking en een paar vrienden dat ze precies dit hebben gedaan. Het nieuwe proces wordt kwantumveilige directe communicatie genoemd en het Chinese team heeft het voor het eerst via 500 meter glasvezelkabel gebruikt.
De reden waarom natuurkundigen in het verleden op eenmalige pads vertrouwden, is eenvoudig. Het gaat erom of een bericht is afgeluisterd. Natuurkundigen kunnen dit controleren omdat kwantumdeeltjes niet kunnen worden gemeten zonder de informatie die ze bevatten te vernietigen.
Dus wanneer fotonen worden verzonden en ze in dezelfde staat aankomen als waarin ze zijn verzonden, kan een afluisteraar de informatie die ze bevatten niet hebben geëxtraheerd. Maar als ze in een andere staat aankomen, is dat een duidelijk bewijs dat de informatie in de omgeving is gelekt en dat het bericht niet veilig is.
(In de praktijk kunnen natuurkundigen er zeker van zijn dat een bericht veilig is zolang deze lekkage onder een kritische drempel blijft.)
Het probleem is dat de lekkage pas zichtbaar wordt nadat deze zich heeft voorgedaan. Dus een afluisteraar zou de informatie al hebben tegen de tijd dat natuurkundigen de list ontdekten.
Daarom gebruiken ze dit proces om een one-time pad te verzenden, een reeks willekeurige getallen die kunnen worden gebruikt om een bericht te versleutelen. Als het eenmalige pad wordt afgeluisterd, negeren natuurkundigen het gewoon en sturen een ander, totdat ze er zeker van kunnen zijn dat het proces volledig privé was.
Maar natuurkundigen zouden het one-time pad maar al te graag afschaffen als ze een manier zouden kunnen vinden om de geheimhouding van een bericht te garanderen voordat het wordt verzonden. En enkele jaren geleden hebben theoretici een manier bedacht om dit te doen.
De methode maakt gebruik van het kwantumfenomeen van verstrengeling. Dit gebeurt wanneer kwantumdeeltjes zo nauw met elkaar verbonden zijn dat ze hetzelfde bestaan delen, bijvoorbeeld wanneer ze allebei op hetzelfde moment en op dezelfde plaats worden gecreëerd.
Wanneer dit gebeurt, blijven de deeltjes verbonden, zelfs als ze over grote afstanden van elkaar verwijderd zijn. En een meting aan het ene deeltje heeft direct invloed op de toestand van het andere.
De truc is dus om een reeks verstrengelde deeltjes, zoals fotonen, te creëren en informatie in hun polarisatietoestand te coderen. Dus verticale polarisatie zou kunnen vertegenwoordigen a een en horizontale polarisatie a 0 , bijvoorbeeld.
De afzender, Alice, houdt de helft van elk paar en stuurt de anderen naar Bob, die dan een reeks fotonen heeft die verstrengeld zijn met de fotonen van Alice.
Bob verdeelt zijn fotonen willekeurig in twee groepen. Hij meet de polarisaties van één set en stuurt de resultaten terug naar Alice. Vervolgens controleert ze of de toestanden zijn veranderd tijdens de uitzending, met andere woorden, of Eve heeft meegeluisterd.
Zo niet, dan weten Alice en Bob dat Eve de andere fotonen ook niet kan hebben gezien, omdat ze willekeurig zijn gescheiden. En dat betekent dat Alice en Bob de resterende fotonen kunnen gebruiken om gegevens te verzenden via het normale proces van kwantumcommunicatie, wat volkomen privé is.
En dat is precies wat Zhang en co hebben gedaan. Een van de redenen waarom het experiment moeilijk is, is dat de fotonen moeten worden opgeslagen terwijl dit controleproces aan de gang is. Zhang en co doen dit door de fotonen rond een twee kilometer lange lus van glasvezel te sturen en de controles zo snel mogelijk uit te voeren. Hoe langer het duurt, hoe groter de kans dat de fotonen worden geabsorbeerd of verstrooid door de optische vezel.
De resultaten laten duidelijk het potentieel van de techniek zien. Dit op glasvezel gebaseerde QSDC-systeem heeft het potentieel om een transmissiesnelheid te realiseren die dicht bij de beveiligingssleutelsnelheden ligt van de huidige commerciële kwantumsleuteldistributiesystemen, zeggen Zhang en co. Het voordeel [is] dat het QSDC-systeem niet alleen beveiligde sleutels kan verzenden, maar ook de informatie rechtstreeks.
Natuurlijk zijn er verschillende verbeteringen nodig om een dergelijk systeem commercieel levensvatbaar te maken. Maar het werk is een belangrijke opstap naar volledig op kwantum gebaseerde veilige communicatie. Banken, regeringen en militaire instanties zullen gretig toekijken.
Referentie: arxiv.org/abs/1710.07951 : Experimentele Quantum Secure Directe Communicatie over lange afstand