Paul Sparks
0 
4385
612
Kina har kvanteteknologien for perfekt å kryptere nyttige signaler over avstander langt raskere enn noen noen gang har oppnådd, og spenner over Europa og Asia, ifølge et fantastisk nytt forskningsbrev.
Informasjon eller signaler går gjennom folks hus, himmelen over hodet og kjøttet av menneskelige kropper hvert sekund hver dag. Det er TV-signaler og radio, så vel som private telefonsamtaler og datafiler.
Noen av disse signalene er offentlige, men de fleste er private - kryptert med lange strenger med antall som er kjent (antagelig) bare for avsendere og mottakere. Disse nøklene er kraftige nok til å beholde hemmelighetene i det moderne samfunn: flørtende tekstmeldinger, bankkontonummer og passord for å skjulte databaser. Men de er sprø. En tilstrekkelig bestemt person, som har en tilstrekkelig kraftig datamaskin, kunne ødelegge dem.
"Historisk sett har alle fremskritt innen kryptografi blitt beseiret av fremskritt innen sprekkteknologi," skrev Jian-Wei Pan, forsker ved University of Science and Technology of China og forfatter på dette forskningsbrevet, i en e-post. "Kvantetastfordeling avslutter dette slaget."
Kvantnøkler er lange antall strenger - nøkler for å åpne krypterte filer akkurat som de som brukes i moderne datamaskiner - men de er kodet i kvantepartiklers fysiske tilstander. Det betyr at de ikke bare er beskyttet av datamaskiner, men fysikkens lover.
Kvantetaster kan ikke kopieres. De kan kryptere overføringer mellom ellers klassiske datamaskiner. Og ingen kan stjele dem - en kvantemekanikklov sier at når en subatomisk partikkel er observert, forandrer poof det seg - uten å varsle avsender og mottaker om det skitne trikset. [Hva er det? Dine fysiske spørsmål besvart]
Og nå, i følge et nytt brev som skal publiseres i dag (19. januar) i tidsskriftet Physical Review Letters, kan kvantnøkler reise via satellitt, kryptere meldinger sendt mellom byer tusenvis av kilometer fra hverandre.
Forskerne kvantekrypterte bilder ved å kode dem som antall strenger basert på kvantetilstandene for fotoner og sendte dem over avstander på opp til 4.722 mil (Beijing) og Beijing - og ødela den forrige rekorden på 404 km (404 km) , også satt i Kina. Deretter holdt de for godt mål 29. september 2017 en 75-minutters videokonferanse mellom forskere i de to byene, også kryptert via kvantetast. (Denne videokonferansen ble kunngjort tidligere, men alle detaljer om eksperimentet ble rapportert i dette nye brevet.)
Satellitten
Denne kvantumnøkkeldistribusjonen på lang avstand er nok en oppnåelse av den kinesiske satellitten Micius, som var ansvarlig for å knuse en rekke kvantennettverksrekorder i 2017. Micius er et kraftig fotonrelé og detektor. Lansert i en lav jordbane i 2016, og bruker sine fine lasere og detektorer til å sende og motta pakker med kvanteinformasjon - i utgangspunktet informasjon om kvantetilstanden til et foton - over store strekninger med plass og atmosfære.
"Micius er den lyseste stjernen på himmelen når den passerer over stasjonen," skrev Pan til. "Stjernen er [like] grønn som fyrlyseren [som Micius bruker for å sikte fotoner mot bakken]. Hvis det er noe støv i luften, vil du [også] se en rød lyslinje som peker mot satellitten. Ingen lyd kommer fra verdensrommet. Kanskje er det noen som er hevet av bevegelsen av bakkestasjonen. "
Omtrent når som helst Micius gjør noe, blåser det tidligere poster ut av vannet. Det er fordi tidligere kvantenettverk har vært avhengige av å føre fotoner rundt på bakken ved å bruke luften mellom bygninger eller fiberoptiske kabler. Og det er grenser for synslinje på bakken, eller hvor langt en fiberoptisk kabel vil overføre et foton uten å miste det.
I juni 2017 kunngjorde Micius-forskere at de hadde sendt to "sammenfiltrede" fotoner til bakkestasjoner med en styrke på 1 200 kilometer fra hverandre. (Når et par fotoner blir sammenfiltret, påvirker de hverandre selv når de er adskilt med store avstander.) En måned senere, i juli, kunngjorde de at de hadde teleportert en pakke med kvanteinformasjon 870 miles (1.400 km) fra Tibet til bane, noe som betyr at kvantetilstanden til en partikkel hadde blitt strålt direkte fra en partikkel på bakken til sin tvilling i rommet.
Begge disse prestasjonene var viktige skritt på veien til kvante nøkkelkryptert nettverk i den virkelige verden.
Det nye brevet kunngjør at teorien er satt i verk.
Micius krypterte først to bilder, et lite bilde av selve Micius-satellitten, deretter et bilde av den tidlige kvantefysikeren Erwin Schrödinger. Da krypterte den lange videosamtalen. Det er aldri oppnådd noen lignende handling med kvante nøkkelfordeling over den slags distanse.
Panius er allerede, sa Pan, klar til å bruke for å kryptere viktigere informasjon.
Hvordan fungerer en kvanteøkkel?
Kvantetastfordeling er i hovedsak en kreativ anvendelse av det såkalte Heisenbergs usikkerhetsprinsipp, et av grunnleggende prinsipper for kvantemekanikk. Som tidligere rapportert, sier usikkerhetsprinsippet at det er umulig å fullstendig vite kvantetilstanden til en partikkel - og avgjørende at når en observerer en del av denne tilstanden, vil en detektor for alltid utslette den andre relevante informasjonen som partikkelen inneholder..
Dette prinsippet viser seg å være veldig nyttig for koding av informasjon. Som den belgiske kryptografen Gilles Van Assche skrev i sin bok fra 2006 "Quantum Cryptography and Secret-Key Distillation", kan en avsender og mottaker bruke kvantetilstandene til partikler for å generere antall strenger. En datamaskin kan deretter bruke disse strengene til å kryptere litt informasjon, for eksempel en video eller en tekst, som den deretter sender over et klassisk stafett som internettforbindelsen du bruker til å lese denne artikkelen.
Men den sender ikke krypteringsnøkkelen over det stafetten. I stedet sender den disse partiklene over et eget kvantenettverk, skrev Van Assche.
Når det gjelder Micius, betyr det å sende fotoner én om gangen gjennom atmosfæren. Mottakeren kan deretter lese kvantetilstandene til disse fotonene for å bestemme kvantetasten og bruke den nøkkelen til å dekryptere den klassiske meldingen. [Album: Verdens vakreste ligninger]
Men hvis noen andre prøvde å avskjære den meldingen, ville de etterlate fortegnelige tegn - manglende pakker med nøkkelen som aldri kom den til avsenderen.
Selvfølgelig er ikke noe nettverk perfekt, spesielt ikke et basert på fotograferingsinformasjon for individuelle bilder over mange kilometer. Som Micius-forskerne skrev, mister nettverkene typisk 1 eller 2 prosent av nøkkelen sin på en klar dag. Men det er vel innenfor det Micius og basestasjonen kan samarbeide for å redigere ut av nøkkelen ved å bruke litt fancy matematikk. Selv om en angriper snappet opp og ødela en mye større del av transmisjonen, ville det uansett ikke være rent - kortere, men helt sikre nok til å kryptere overføringer i en klype. [Hvordan kvantforvirring fungerer (infografisk)]
Forbindelsen mellom Micius og Jorden er imidlertid ikke helt sikker ennå. Som teamet med kinesiske og østerrikske forfattere skrev, er feilen i nettverksdesign selve satellitten. Akkurat nå mottar basestasjoner i hver tilknyttede by forskjellige kvantetaster fra satellitten, som multipliseres sammen og deretter demonteres. Det systemet fungerer bra, så lenge kommunikatørene stoler på at ingen hemmelig tropp av uærlige astronauter har brutt seg inn i Micius selv for å lese kvantetasten ved kilden. Det neste trinnet mot virkelig perfekt sikkerhet, skrev de, er å distribuere kvantnøkler fra satellitter via fanget fotoner - nøkler satellittene ville produsere og distribuere, men aldri selv kunne lese.
Med tiden planlegger forskerne, planlegger de å lansere flere kvantesatellitter til høyere baner - satellitter som vil kommunisere med hverandre og med forskere på jorden i stadig mer komplekse nett..
Dette langsomt spredte, stadig mer praktiske kvantenettverket vil først bli bygget for Kina og Europa, skrev de, "og deretter i global skala."