Pirmā Quantum Enigma mašīnas eksperimentālā demonstrācija

Viens no izcilākajiem 20. gadsimta zinātnes varoņiem bija matemātiķis un inženieris slavenajā Bell Laboratories Ņūdžersijā Klods Šenons. 1940., 50. un 60. gados Šenona ielika matemātiskos pamatus mūsdienu komunikācijām un skaitļošanai, vienlaikus veidojot dažas no pirmajām viedajām mašīnām.

Pa ceļam viņš arī sniedza lielu ieguldījumu kriptogrāfijas teorijā ar rakstu 'Slepenības sistēmu komunikācijas teorija', kas publicēts 1949. gadā. Tajā viņš pierādīja, ka ir iespējams nosūtīt pilnīgi drošu ziņojumu, ja šifrēšanas atslēga ir pilnībā nejauša. un lietots tikai vienu reizi.

Šenona darbs ir matemātisks pierādījums tam, ka vienreizējais bloks ir patiesi nesalaužams šifrēšanas veids. Kritisks nosacījums ir tāds, ka šifrēšanas atslēgai jābūt vismaz tikpat garai kā pašam ziņojumam.

Pirmā kvantu mīklas mašīna.

Šenona darbā pieņemts, ka ziņojums tiek nosūtīts, izmantojot parastos pārraides veidus. Taču pēdējo 10 gadu laikā kvantu fiziķi ir pierādījuši, ka ir iespējams darīt labāk, ja ziņojums tiek šifrēts, izmantojot kvantu noteikumus. Jo īpaši viņi ir parādījuši, ka kvantu pasaulē drošu ziņojumu var nosūtīt ar atslēgu, kas ir ievērojami īsāka par pašu ziņojumu. Vismaz teorētiski.

Pētnieki šo ierīci nokristīja par kvantu mīklas mašīnu pēc nacistu šifrēšanas ierīces, kuru Otrā pasaules kara laikā uzlauza Alana Tjūringa vadītie kodu lauzēji. Bet ierīce ir bijusi pilnībā teorētiska.

Līdz šim brīdim. Šodien Daniels Lūms no Ročesteras universitātes Ņujorkas štatā un daži draugi pirmo reizi atklāj reāli funkcionējošu kvantu mīklas mašīnu. Viņu principu pierādījuma ierīce spēj nosūtīt pilnīgi drošus ziņojumus, izmantojot atslēgu, kas ir īsāka par pašu ziņojumu.

Vienreizējais tastatūra darbojas, pievienojot nejaušu skaitli katram ziņojuma ciparam. Tas padara ziņojumu neatšķiramu no nejaušības. To var nolasīt, tikai atņemot tos pašus nejaušības skaitļus, lai iegūtu sākotnējo ziņojumu.

Noslēpums ir atkarīgs no tā, vai raidītājs un uztvērējs ir vienīgie cilvēki, kuriem ir nejaušo skaitļu saraksts. Un, protams, šim sarakstam ir jābūt garākam par pašu ziņojumu.

Šī procesa kvantu versija darbojas, kodē informāciju kvantu objektā, piemēram, fotonā, un pēc tam mainot fotona stāvokli ar nejaušu darbību. Informāciju var izgūt, tikai mainot nejaušo darbību. Kamēr tikai raidītājs un uztvērējs zina nejaušo darbību secību — kvantu atslēgu — un ka šī atslēga tiek izmantota tikai vienu reizi, ziņojums ir pilnīgi drošs.

Tomēr kvantu teorētiķi ir parādījuši, ka kvantu atslēga var būt eksponenciāli īsāka par pašu ziņojumu.

Tagad Lum un co ir izveidojuši raidītāju un uztvērēju, kas izmanto šo mehānismu. Viņu ierīce sastāv no fotonu pistoles, kas izšauj atsevišķus fotonus caur masku, ko sauc par telpisko gaismas modulatoru, kas uzliek informāciju fotona viļņu frontei. Ja šis modulators sastāv no 8 x 8 masīva, tas var kodēt 64 bitus informācijas. Tajā pašā laikā telpiskais gaismas modulators informācijai, ko tas pārraida, pievieno nejaušu signālu.

Svarīgi ir tas, ka visa informācija, kas kodēta uz fotona, tiek nejaušināta ar nejaušu signālu. Tātad šifrēšanai izmantoto nejaušo signālu secība var būt ievērojami īsāka nekā pats ziņojums.

Tas ļauj veikt svarīgu pavērsienu. Tā kā ziņojums ir īsāks par atslēgu, ir iespējams arī nosūtīt jaunu atslēgu nākamā ziņojuma kodēšanai. Tādā veidā ziņojums un jaunā atslēga tiek nosūtīti vienlaikus, un abas tiek turētas pilnībā noslēpumā.

Uztvērējs nosaka katru fotonu, izmantojot gaismas jutīgu masīvu, kas var noteikt uz fotona uzlikto modeli. Pēc tam tas atņem nejaušo signālu, kas atstāj sākotnējo ziņojumu.

Lums un citi ir izdarījuši tieši to. Mēs parādījām šo fenomenu ar principiālu eksperimentu, lai bloķētu 6 bitus uz fotonu, vienlaikus izmantojot mazāk nekā 6 bitus uz vienu slepenās atslēgas fotonu, saka komanda. Citiem vārdiem sakot, šie puiši ir izveidojuši pirmo principu pierādījuma kvantu mīklas mašīnu.

Tas ir interesants rezultāts, kas tiek nekavējoties piemērots. Fiziķi jau izmanto kvantu mehāniku, lai nosūtītu perfekti drošus ziņojumus, izmantojot metodi, ko sauc par kvantu atslēgu sadali. Paņēmieni, kā to izdarīt, kļūst arvien progresīvāki. Patiešām, tirgū jau ir šāda veida kvantu šifrēšanas komerciālas versijas.

Lums un kolēģi saka, ka tehnoloģiju un metodes, kas izstrādātas kvantu atslēgu izplatīšanai, var nekavējoties izmantot kvantu mīklas mašīnu veidošanā. Tāpēc nav iemesla, kāpēc šo tehniku ​​tuvākajā nākotnē nevarētu komercializēt. Šenona noteikti būtu pārsteigta.

Atsauce: arxiv.org/abs/1605.06556 : Quantum Enigma mašīna: eksperimentāli demonstrē kvantu datu bloķēšanu

paslēpties