MIT: Europa bestræber sig på at skabe et urimeligt kvanteinternet

Than hurtigt tog fra Paris til Rotterdam var en times forsinket at forlade Gare du Nord. Da det omsider deponerede mig i den hollandske by, opdagede jeg, at det videre tog til Delft var blevet suspenderet på grund af vedligeholdelsesarbejde på sporene. Det tog to cirkulære busrejser og en taxatur, før jeg endelig kom til min destination.

I betragtning af at jeg var der for at lære om kommunikationens fremtid, syntes dette passende. Min tur var en påmindelse om, at mens forsendelse af folk fra sted til sted stadig er fyldt med uforudsete fejl, flyder gargantuanske mængder data jævnt og hurtigt hele dagen, hver dag gennem de fiberoptiske kabler, der forbinder byer, lande og hele kontinenter.

Og alligevel har disse datanetværk en svaghed: de kan blive hacket. Blandt de hemmelige dokumenter, der lækkede for et par år siden af ​​den amerikanske National Security Agency-entreprenør Edward Snowden, var dem, der viste, at vestlige efterretningsbureauer havde formået at tryk på kommunikationskabler og spion på de enorme mængder trafik, der strømmer gennem dem.

Forskningsinstituttet jeg var på besøg i Delft, QuTech, arbejder på et system, der kan gøre denne type overvågning umulig. Tanken er at udnytte kvantemekanikken for at skabe et fejlfrit sikkert kommunikationsnetværk mellem Delft og tre andre byer i Holland ved udgangen af ​​2020 (se kort nedenfor for de planlagte links).

QuTech-forskerne, ledet af Stephanie Wehner og Ronald Hanson, står stadig over for en række afskrækkende tekniske udfordringer. Men hvis de lykkes, kunne deres projekt katalysere et fremtidig kvanteinternet - på omtrent samme måde som Arpanet, som det amerikanske forsvarsministerium oprettede i slutningen af ​​1960, inspirerede til oprettelsen af ​​internettet, som vi kender det i dag.

Uendelige qubits

Internettet er sårbart over for den slags hacking, som Snowden afslører, fordi data stadig rejser over kabler i form af klassiske bits - en strøm af elektriske eller optiske impulser, der repræsenterer 1s og 0s. En hacker, der formår at tappe kablerne i, kan læse og kopiere disse bits i transit.

Kvantefysikens love tillader derimod en partikel - for eksempel et atom, et elektron eller (til transmission langs optiske kabler) en lysfoton - at optage en kvantetilstand, der repræsenterer en kombination af 1   0 samtidigt. En sådan partikel kaldes en kvantebit eller qubit. Når du prøver at observere en kvbit, kollaps dens tilstand til en af ​​begge 1 or 0. Dette, forklarer Wehner, betyder, at hvis en hacker tapper ind i en strøm af qubits, ødelægger den indtrængende kvanteinformationen i denne strøm og efterlader et klart signal om, at den er blevet manipuleret.

På grund af denne egenskab er qubits blevet brugt i ganske lang tid til at generere krypteringsnøgler i en proces, der er kendt som quantum key distribution (QKD). Dette involverer afsendelse af data i klassisk form over et netværk, mens de nøgler, der er nødvendige for at dekryptere dataene, overføres separat i en kvantetilstand.

Kina har demonstreret nogle imponerende anvendelser af QKD. Sidste år brugte den en satellit kaldet Micius til transmitter kvantetaster til to jordstationer, den ene i Beijing og den anden i Wien. Tasterne blev derefter brugt til at dekryptere klassiske data til et sikkert videoopkald mellem de to byer. Ethvert forsøg på at aflytte kommunikationen, der indeholder nøglerne, ville have ødelagt dem og gjort det umuligt for spionerne (eller nogen anden) at dekryptere videoopkaldet. Kina har også bygget et landbaseret QKD-kommunikationsnetværk fra Beijing til Shanghai, som banker og andre virksomheder bruger til at overføre følsomme kommercielle data.

Imidlertid har fremgangsmåden begrænsninger. Fotoner kan optages i atmosfæren eller af materialer i kabler, hvilket betyder, at de typisk kan køre i mere end et par titusinder af kilometer. Beijing-Shanghai-netværket omgår dette ved at have 32 såkaldte ”betroede noder” på forskellige punkter langs det - svarende til repeatere, der forstærker signalet i et almindeligt datakabel. Ved disse noder dekrypteres nøgler til klassisk form og krypteres derefter igen i en frisk kvantetilstand for deres rejse til det næste waypoint. Men dette betyder, at betroede knudepunkter virkelig ikke skal være tillid. En hacker, der overtræder deres sikkerhed, kunne kopiere de klassiske nøgler uopdaget, ligesom et firma eller regering, der kører knudepunkterne.

Quantum teleportation

Wehner, Hanson og deres kolleger i QuTech sigter mod at overvinde disse begrænsninger for at opbygge et helt sikkert kvanteinternet.

Den tilgang, de bruger, kaldes kvante teleportering. Dette lyder måske som science fiction, men det er en egentlig metode til transmission af data. Det er afhængig af et fænomen kendt som kvanteindvikling.

Forviklinger betyder at skabe et par qubits - fotoner af lys til dette formål - i en enkelt kvantetilstand, så selv om de bevæger sig i modsatte retninger, bevarer de en kvanteforbindelse. Ændring af tilstanden for den ene foton ændrer øjeblikkeligt tilstanden til den anden på en forudsigelig måde, uanset hvor langt fra hinanden de er. Albert Einstein kaldte denne "uhyggelige handling på afstand."

Kvanteteleportering kræver derefter først at sende et par sammenfiltrede fotoner til to personer - kalde dem Alice og Bob. Alice modtager sin sammenfiltrede foton og lader den interagere med en "hukommelseskvbit", der indeholder data, hun vil overføre til Bob. Denne interaktion ændrer tilstanden for hendes foton og ændrer således også tilstanden til Bobs foton. I virkeligheden "teleporteres" dataene i Alice's hukommelse qubit fra Alice's foton til Bob's. Illustrationen nedenfor skitserer processen i en lidt mere detaljeret beskrivelse.

En anden måde at tænke på det: det sammenfiltrede par fotoner er som de to ender af et virtuelt, engangs-kun datakabel. Hver gang Alice og Bob vil sende data, modtager de først et nyt kabel, og fordi hver af dem har den ene ende, kan kun de bruge det. Det er det, der gør det sikkert mod aflytning.

Læs hele historien her ...