Paul Sparks
0 
969
128
Kina har kvanteteknologien til perfekt at kryptere nyttige signaler over afstande langt hurtigere end nogen nogensinde har opnået, spænder over Europa og Asien, ifølge et fantastisk nyt forskningsbrev.
Stykker af information eller signaler passerer gennem folks huse, himmelens overhead og kød af menneskelige kropper hvert sekund af hver dag. Det er tv-signaler og radio samt private telefonopkald og datafiler.
Nogle af disse signaler er offentlige, men de fleste er private - krypteret med lange strenge af numre, der er kendt (formodentlig) kun for afsendere og modtagere. Disse nøgler er magtfulde nok til at bevare hemmelighederne i det moderne samfund: flirtende tekstmeddelelser, bankkontonumre og adgangskoder til skjulte databaser. Men de er sprøde. En tilstrækkelig bestemt person, der har en tilstrækkelig kraftig computer, kunne ødelægge dem.
"Historisk set er hvert fremskridt inden for kryptografi besejret af fremskridt inden for krakningsteknologi," skrev Jian-Wei Pan, en forsker ved University of Science and Technology i Kina og forfatter til dette forskningsbrev, i en e-mail. "Kvantetastfordeling afslutter denne kamp."
Kvantetaster er lange numre - numre til åbning af krypterede filer, ligesom dem, der bruges i moderne computere - men de er kodet i kvantepartiklernes fysiske tilstande. Det betyder, at de ikke kun er beskyttet af computerens grænser, men fysiklovene.
Kvantetaster kan ikke kopieres. De kan kryptere transmissioner mellem ellers klassiske computere. Og ingen kan stjæle dem - i en kvantemekaniklov hedder det, at når en subatomær partikel er observeret, poof, ændres den - uden at advare senderen og modtageren om det beskidte trick. [Hvad er det? Dine fysiske spørgsmål besvaret]
Og nu, i henhold til et nyt brev, der skal offentliggøres i dag (19. januar) i tidsskriftet Physical Review Letters, kan kvantetaster køre via satellit, krypterende meddelelser sendt mellem byer med tusindvis af miles fra hinanden.
Forskerne kvantekrypterede billeder ved at kode dem som strenge af numre baseret på kvantetilstandene for fotoner og sendte dem over afstande på op til 4.722 miles (Beijing) og Wien - hvor den forrige rekord på 404 km blev ødelagt. , også sat i Kina. Derefter afholdt de med held den 29. september 2017 en 75-minutters videokonference mellem forskere i de to byer, også krypteret via kvantetast. (Denne videokonference blev annonceret tidligere, men de fulde detaljer om eksperimentet blev rapporteret i dette nye brev.)
Satellitten
Denne langdistancede kvantetastdistribution er endnu en præstation af den kinesiske satellit Micius, der var ansvarlig for at knuse et antal kvante-netværksrekorder i 2017. Micius er en kraftig fotonrelæ og detektor. Lanceret i en lav jordbane i 2016, bruger den sine fine lasere og detektorer til at sende og modtage pakker med kvanteinformation - dybest set information om en fotons kvantetilstand - over store strækninger af plads og atmosfære.
”Micius er den lyseste stjerne på himlen, når den passerer over stationen,” skrev Pan til. "Stjernen er [lige så] grøn som fyrlyseren [som Micius bruger til at sigte fotoner mod jorden]. Hvis der er noget støv i luften, vil du [også] se en rød lyslinje, der peger mod satellitten. Ingen lyd kommer fra rummet. Måske er der nogle rejst af jordstationens bevægelse. "
Næsten når som helst Micius gør noget, blæser det tidligere poster ud af vandet. Det skyldes, at tidligere kvantenetværk har været afhængige af at passere fotoner rundt på jorden ved at bruge luften mellem bygninger eller fiberoptiske kabler. Og der er grænser for synslinie på jorden, eller hvor langt et fiberoptisk kabel overfører en foton uden at miste den.
I juni 2017 meddelte Micius-forskere, at de havde sendt to "sammenfiltrede" fotoner til jordstationer, der var 1200 km fra hinanden. (Når et par fotoner bliver sammenfiltret, påvirker de hinanden, selv når de adskilles med store afstande.) En måned senere, i juli, meddelte de, at de havde teleporteret en pakke med kvanteinformation 870 miles (1.400 km) fra Tibet til bane, hvilket betyder, at kvantetilstanden for en partikel var blevet strålet direkte fra en partikel på jorden til dens tvilling i rummet.
Begge disse resultater var store skridt på vejen til den virkelige verden kvante-nøglekrypterede netværk.
Det nye brev meddeler, at teorien er sat i aktion.
Micius krypterede først to fotos, et lille billede af selve Micius-satellitten, derefter et foto af den tidlige kvantefysiker Erwin Schrödinger. Derefter krypterede det lange videoopkald. Der er aldrig opnået nogen lignende handling med kvantetastnedsfordeling over den slags afstand.
Pan sagde allerede, Micius er klar til at bruge til at kryptere mere vigtig information.
Hvordan fungerer en kvante nøgle?
Kvantetastfordeling er i det væsentlige en kreativ anvendelse af det såkaldte Heisenbergs usikkerhedsprincip, et af kvantemekanikkens grundlæggende principper. Som tidligere rapporteret, siger usikkerhedsprincippet, at det er umuligt at kende kvantetilstanden for en partikel fuldstændigt - og helt afgørende, at en detektor ved iagttagelse af en del af denne tilstand for evigt udsletter andre relevante oplysninger, som partiklen indeholder.
Dette princip viser sig at være meget nyttigt til kodning af oplysninger. Som den belgiske kryptograf Gilles Van Assche skrev i sin bog fra 2006 "Quantum Cryptography and Secret-Key Distillation", kan en afsender og modtager bruge kvantetilstanden for partikler til at generere strenge med tal. En computer kan derefter bruge disse strenge til at kryptere en smule information, f.eks. En video eller en tekst, som den derefter sender over et klassisk relæ som den internetforbindelse, du bruger til at læse denne artikel.
Men den sender ikke krypteringsnøglen over dette relæ. I stedet sender den disse partikler over et separat kvantenetværk, skrev Van Assche.
For Micius betyder det at sende fotoner én ad gangen gennem atmosfæren. Modtageren kan derefter læse kvantetilstandene for disse fotoner til at bestemme kvantetasten og bruge denne nøgle til at dekryptere den klassiske meddelelse. [Album: Verdens smukkeste ligninger]
Hvis der imidlertid var nogen, der forsøgte at opfange denne meddelelse, ville de efterlade fortællende tegn - manglende pakker med nøglen, der aldrig kom til afsenderen.
Naturligvis er intet netværk perfekt, især ikke et baseret på optagelsesinformation til individuelle fotos på tværs af miles. Som Micius-forskerne skrev, mister netværkene typisk 1 eller 2 procent af deres nøgle på en klar dag. Men det er godt indenfor, hvad Micius og basestationen kan arbejde sammen om at redigere ud af nøglen ved hjælp af nogle smarte matematik. Selv hvis en angriber opsamlede og ødelagde en meget større del af transmissionen, ville uanset hvad de ikke fangede stadig være ren - kortere, men helt sikre nok til at kryptere transmissioner i en klemme. [Sådan fungerer kvanteforviklinger (Infographic)]
Forbindelsen mellem Micius og Jorden er imidlertid ikke helt sikker endnu. Som teamet af kinesiske og østrigske forfattere skrev, er fejlen i netværksdesign selve satellitten. Lige nu modtager basestationer i hver sammenkoblet by forskellige kvantetaster fra satellitten, der multipliceres sammen og derefter adskilles. Dette system fungerer fint, så længe kommunikatorerne har tillid til, at intet hemmeligt hold af uærlige astronauter har brudt ind i Micius selv for at læse kvantetasten ved kilden. Det næste skridt mod virkelig perfekt sikkerhed, skrev de, er at distribuere kvantetaster fra satellitter via viklet ind fotoner - taster satellitterne ville fremstille og distribuere, men aldrig selv kunne læse.
Med tiden planlægger forskerne, planlægger de at lancere flere kvantesatellitter til højere kredsløb - satellitter, der vil kommunikere med hinanden og med forskere på Jorden i stadig mere komplekse webs.
Dette langsomt spredte, stadigt mere praktiske kvantenetværk vil først blive bygget til Kina og Europa, skrev de, "og derefter i global skala."