Kvantu izrāviens vēsta par jaunu perfekti drošas ziņojumapmaiņas paaudzi

Jau pagājušā gadsimta astoņdesmitajos gados kvantu fiziķi atklāja, ka dīvainie kvantu mehānikas noteikumi ļauj nosūtīt informāciju no vienas Visuma daļas uz otru ar pilnīgu privātumu. Viņi teica, ka šī tā sauktā kvantu kriptogrāfija būtu ideāla, jo ziņojuma drošību garantēs paši fizikas likumi.

Dažu gadu laikā pētnieki šo tehniku ​​demonstrēja laboratorijā, un šodien kvantu kriptogrāfija kļūst komerciāli dzīvotspējīga, pateicoties tādiem uzņēmumiem kā ID Quantique Ženēvā, Šveicē.

Bet viss mehānisms ir nedaudz pretrunīgs. Privātā ziņa vispār netiek sūtīta, izmantojot kvantu mehāniku. Tā vietā fiziķi izmanto kvantu procesus, lai nosūtītu kodu, ko sauc par vienreizēju spilventiņu, ko izmanto sākotnējā ziņojuma šifrēšanai. Šifrētais ziņojums pēc tam tiek nosūtīts pa parastu telekomunikāciju kanālu un atšifrēts parastajā veidā. Šo paņēmienu sauc par kvantu atslēgu sadali.

Alise un Bobs var apmainīties ar pilnīgi drošiem ziņojumiem, izmantojot jauno kvantu tehniku.

Datorzinātnieki zina, ka ziņojumu, kas kodēts, izmantojot vienreizējo spilventiņu, nevar salauzt. Tāpēc drošību nodrošina iespēja nosūtīt vienreizējo bloknotu ar perfektu privātumu, ko šī pieeja garantē.

Un tas rada interesantu jautājumu. Ja vienreizējo bloku ir iespējams droši nosūtīt, izmantojot kvantu mehāniku, kāpēc gan nenosūtīt oriģinālo ziņojumu šādā veidā?

Šodien Vejs Džans no Tsinghua universitātes Pekinā un daži draugi saka, ka viņi ir darījuši tieši to. Jauno procesu sauc par kvantu drošu tiešo komunikāciju, un Ķīnas komanda pirmo reizi to ir izmantojusi, izmantojot 500 metrus garu optiskās šķiedras kabeli.

Iemesls, kāpēc fiziķi pagātnē ir paļāvušies uz vienreizējiem paliktņiem, ir vienkāršs. Jautājums ir par to, vai ziņojums ir noklausīts. Fiziķi to var pārbaudīt, jo kvantu daļiņas nevar izmērīt, neiznīcinot tajās esošo informāciju.

Tātad, kad tiek pārraidīti fotoni un tie nonāk tādā pašā stāvoklī, kādā tie tika nosūtīti, noklausītājs nevarēs iegūt tajos esošo informāciju. Bet, ja tie nonāk citā stāvoklī, tas ir skaidrs pierādījums tam, ka informācija ir noplūdusi vidē un ziņojums nav drošs.

(Praksē fiziķi var būt pārliecināti, ka ziņojums ir drošs, kamēr šī noplūde ir zem kāda kritiskā sliekšņa.)

Problēma ir tā, ka noplūde kļūst redzama tikai pēc tam, kad tā ir notikusi. Tātad noklausītājam jau būtu informācija, kad fiziķi uzzina par viltību.

Tāpēc viņi izmanto šo procesu, lai nosūtītu vienreizēju bloknotu — nejaušu skaitļu kopu, ko var izmantot ziņojuma šifrēšanai. Ja vienreizējais bloks tiek noklausīts, fiziķi to vienkārši neņem vērā un nosūta citu, līdz var būt pārliecināti, ka process bija pilnīgi privāts.

Taču fiziķi ļoti vēlētos atteikties no vienreizējās ieliktnītes, ja viņi varētu atrast veidu, kā nodrošināt ziņojuma slepenību pirms tā nosūtīšanas. Un pirms dažiem gadiem teorētiķi izstrādāja veidu, kā to izdarīt.

Metode izmanto sapīšanās kvantu fenomenu. Tas notiek, ja kvantu daļiņas ir tik cieši saistītas, ka tām ir viena un tā pati eksistence, piemēram, ja tās abas tiek radītas vienā laikā un vietā.

Kad tas notiek, daļiņas paliek saistītas pat tad, ja tās atdala milzīgs attālums. Un vienas daļiņas mērījums nekavējoties ietekmē otras daļiņas stāvokli.

Tātad triks ir izveidot sapinušo daļiņu, piemēram, fotonu, kopu un iekodēt informāciju to polarizācijas stāvoklī. Tātad vertikālā polarizācija varētu attēlot a viens un horizontālā polarizācija a 0 , piemēram.

Sūtītāja Alise patur vienu pusi no katra pāra un pārējās nosūta Bobam, kuram pēc tam ir fotonu kopums, kas ir sapinušies ar Alises fotoniem.

Bobs savus fotonus nejauši sadala divās grupās. Viņš mēra vienas kopas polarizāciju un nosūta rezultātus atpakaļ Alisei. Pēc tam viņa pārbauda, ​​vai pārraides laikā ir mainījušies stāvokļi, citiem vārdiem sakot, vai Ieva ir klausījusies.

Ja nē, tad Alise un Bobs zina, ka Ieva nav redzējusi arī citus fotonus, jo tie ir nejauši atdalīti. Un tas nozīmē, ka Alise un Bobs var izmantot atlikušos fotonus, lai pārraidītu datus, izmantojot parasto kvantu komunikācijas procesu, kas ir pilnīgi privāts.

Un tieši to ir izdarījuši Džans un citi. Viens no iemesliem, kāpēc eksperiments ir sarežģīts, ir tas, ka fotoni ir jāuzglabā, kamēr šis pārbaudes process turpinās. Džans un kolēģi to dara, nosūtot fotonus ap divu kilometru optiskās šķiedras cilpu un veicot pārbaudes, cik ātri vien iespējams. Jo ilgāks laiks ir nepieciešams, jo lielāka iespēja, ka optiskā šķiedra absorbēs vai izkliedēs fotonus.

Rezultāti skaidri parāda tehnikas potenciālu. Šai uz šķiedru balstītai QSDC sistēmai ir potenciāls realizēt pārraides ātrumu, kas ir tuvu pašreizējo komerciālo kvantu atslēgu izplatīšanas sistēmu drošības atslēgas ātrumiem, piemēram, Džans un citi. Priekšrocība [ir] tā, ka QSDC sistēma var pārsūtīt ne tikai drošās atslēgas, bet arī tieši informāciju.

Protams, ir nepieciešami dažādi uzlabojumi, lai šāda veida sistēma būtu komerciāli dzīvotspējīga. Bet darbs ir svarīgs atspēriena punkts uz pilnībā kvantu balstītu drošu komunikāciju. Bankas, valdības un militārās aģentūras ar nepacietību vēros.

Atsauce: arxiv.org/abs/1710.07951 : eksperimentāla liela attāluma kvantu droša tiešā saziņa

paslēpties