Nový rekord pro kvantovou kryptografii

Evropští vědci překonali rekord na vzdálenost v odesílání kvantových informací z jednoho místa na druhé, čímž otevřeli cestu systému, který se spoléhá na zákony fyziky, aby poskytoval komunikaci, kterou nelze odposlouchávat. Pokud se jim podaří rozšířit dosah svého signálu o něco dále, budou moci používat satelity k odesílání dokonale bezpečných dat po celém světě.

Meziměstský hovor: Propletené fotony byly odeslány 144 kilometrů od světelného zdroje na La Palma do přijímače na Tenerife (nahoře) umístěného v místní observatoři (dole).

Tým použil principy kvantové mechaniky k vytvoření šifrovacího klíče na dvou místech současně: jedno v laboratoři na La Palma na Kanárských ostrovech a druhé v observatoři na sousedním ostrově Tenerife, vzdáleném 144 kilometrů. Takovýto šifrovací klíč lze použít ke kódování dat, která mohou dekódovat pouze odesílatel a příjemce.

Chceme zjistit, zda je vůbec možné zavést celosvětovou kvantovou komunikaci, celosvětovou kvantovou kryptografii, říká Anton Zeilinger , profesor fyziky na Institutu pro experimentální fyziku na univerzitě ve Vídni, Rakousko. Jeho tým spolu s týmem pod vedením Harald Weinfurter z Institut Maxe Plancka pro kvantovou optiku , v německém Garchingu, zveřejnila své výsledky online 3. června v časopise Přírodní fyzika .

K vytvoření klíče musel tým nejprve vytvořit páry provázaných fotonů. Zapletení, které Albert Einstein nazval strašidelnou akcí na dálku, znamená, že osud jednoho fotonu je svázán s osudem druhého. Měření jakékoli kvantově mechanické vlastnosti jednoho fotonu automaticky změní stejnou vlastnost u jeho zapleteného partnera, bez ohledu na vzdálenost mezi nimi.

V tomto případě tým změřil polarizaci. Světlo lze polarizovat v libovolném směru; je to míra toho, jakým směrem světelné vlny kolísají – například horizontálně nebo vertikálně. Výzkumníci vytvořili propletené páry fotonů vystřelením silného laserového paprsku skrz krystal. Na každý foton, který vstoupil dovnitř, vyšly dva slabší, propletené fotony. Vědci odrazili jednu polovinu každého páru od zrcadla k místnímu světelnému detektoru na La Palma. Druhý foton poslali čočkou a ven přes vodu, kde ho zachytil dalekohled na Tenerife a poslal do druhého světelného detektoru.

Mám tyto dva fotony, a když je změřím na obou koncích a zeptám se jich: ‚Jste horizontálně nebo vertikálně polarizováni?‘ – binární volba – dají náhodnou odpověď, říká Zeilinger. Ale kvůli zapletení dají oba stejnou odpověď. Na obou stranách dostanete nulu nebo na obou stranách dostanete jedničku.

Pokaždé, když detektory zaregistrovaly foton a změřily jeho polarizaci, počítalo se to jako bit. Foton polarizovaný v jednom směru byl jednička a foton polarizovaný v opačném směru byl nula. Přidejte dostatek bitů dohromady a získáte šifrovací klíč. A je nemožné ukrást tento klíč, aniž by o tom uživatelé věděli. Pokud by někdo zachytil létající fotony, mohl by je sám změřit a poté je poslat do přijímače. Ale akt jejich měření by změnil jejich kvantově mechanické vlastnosti, takže by byl okamžitě vystaven.

Dnes používané šifrovací klíče se spoléhají na přesvědčení, že jejich prolomení vyžaduje obrovské výpočetní zdroje, říká Jeffrey Shapiro , z MIT Optical and Quantum Communications Group . Ale pokud někdo vynalezne mnohem výkonnější kvantový počítač, tato výhoda by byla ztracena. Navíc náhodné sekvence čísel generovaných pro vytvoření dnešních šifrovacích klíčů nejsou skutečně náhodné. Jsou generovány matematickými operacemi a inteligentní lamač kódu by mohl být schopen zjistit, jaký algoritmus se k jejich generování používá. Kvantové bity jsou naopak zcela nepředvídatelné, takže klíče na nich založené by měly být nerozbitné. To je přitažlivé pro podniky, které chtějí posílat finanční údaje bezpečně, a také pro vlády, které mají všechny druhy citlivé komunikace. Všichni víme, že bezpečnost dat je v dnešní době jedním ze základních problémů, říká Zeilinger.

Myslím, že je to skvělá práce, říká Shapiro o novinách evropské skupiny. Působivé na tom je, že to udělali na tak dlouhou vzdálenost.

To nejlepší, co vědci předtím udělali, bylo detekovat provázané fotony na vzdálenosti asi 10 kilometrů. Aby se to zlepšilo, Zeilingerův tým přešel na laser, který místo kontinuálního paprsku vyzařuje světlo v pulzech. Pulzní laser má pouze opakovací frekvenci 249 megahertzů – mnohem pomalejší než 10gigahertzové lasery běžně používané v optických komunikačních sítích, což omezuje, kolik signálu lze poslat v daném časovém období. Pulzní laser také není tak dobrý jako kontinuální při vytváření zapletení. Ale je to blízko a členům týmu to dalo mnohem větší kontrolu nad tím, kdy produkovali fotony, což jim pomohlo oddělit požadované fotony od rozptýleného světla na detektoru, takže mohli číst signál spolehlivěji. Vědci se také museli vypořádat s atmosférickými turbulencemi, které narušují cestu fotonů. Použili automatizovaný systém, který neustále upravoval zarovnání dalekohledu, aby se o to postaral, ačkoli světelný paprsek stále poněkud bloudil nad detektorem.

Zeilinger říká, že naděje spočívá ve zlepšení laserů a detektorů natolik, aby taková spojení ve volném prostoru fungovala mezi pozemními stanicemi a satelity, takže šifrovací klíče bylo možné posílat odkudkoli na Zemi na kterékoli jiné. Protože většina komunikačních satelitů obíhá ve výškách 300 až 500 kilometrů, s našimi 144 kilometry se tam dostáváme, říká.

Skutečnost, že tým překonal tuto vzdálenost ve volném prostoru, je jistě velmi významná, říká Prem Kumar , ředitel společnosti Centrum pro fotonickou komunikaci a výpočetní techniku na Northwestern University. Poslal zapletené fotony přes optické vlákno, což je v pořádku na krátké vzdálenosti, říká. Ale protože vlákno absorbuje fotony, není praktické na vzdálenost více než 100 až 200 kilometrů, což by neumožnilo celosvětovou distribuci.

Výzkumníci jsou součástí evropského konsorcia asi 20 skupin nazvaných SECOQC, které pracují na bezpečné komunikaci založené na kvantové kryptografii. Cílem konsorcia je otestovat bezpečný systém v Evropě někdy v příštím roce.

skrýt