A kvantumszámítógépek hasznossága élesen vitatott téma, azoktól, akik úgy gondolják, hogy ez furcsa, másoktól, akik szerint ez a számítástechnika jövője. Ettől függetlenül a tudósok kutatási dollármilliárdokat öntenek be kereskedelmi célú felhasználás bizonyítására, például egy hackbiztos kvantum Internetre. ⁃ TN szerkesztő
TGyorsvonat Párizsból Rotterdamba egy órával késett, elhagyva a Gare du Nord-t. Amikor végül letétbe helyezte a holland városban, rájöttem, hogy a Delft felé tartó továbbvonatot felfüggesztették a vágányok karbantartása miatt. Két körkörös buszos utazás és egy taxi út tartott, mielőtt végül eljuttam a rendeltetési helyemre.
Mivel ott voltam, hogy megismerjem a kommunikáció jövőjét, ez megfelelőnek tűnt. Utazásom arra emlékeztette, hogy bár az emberek szállítása helyről a másikra még mindig váratlan hibákkal megy végbe, a nagy mennyiségű adat egész nap simán és gyorsan folyik, minden nap a száloptikai kábeleken keresztül, amelyek a városokat, országokat és az egész kontinenseket összekötik.
És ezeknek az adathálózatoknak még van gyengesége: megtámadhatják őket. Az USA Nemzeti Biztonsági Ügynöksége kivitelezője, Edward Snowden néhány évvel ezelőtt kiszivárogtatta azokat a titkos dokumentumokat, amelyek azt mutatják, hogy a nyugati hírszerző ügynökségeknek sikerült csatlakoztassa a kommunikációs kábeleket és kémkednek az általuk átfolyó hatalmas forgalom felett.
A kutatóintézet, amelyet Delftben látogattam meg, QuTech, olyan rendszeren dolgozik, amely lehetetlenné teheti az ilyen jellegű megfigyelést. Az ötlet az, hogy a kvantummechanikát úgy használjuk, hogy hibátlanul biztonságos kommunikációs hálózatot hozzunk létre a Delft és Hollandia három másik városa között az 2020 végére (lásd a lenti térképet a tervezett kapcsolatokról).
A QuTech kutatói, Stephanie Wehner és Ronald Hanson vezetésével, továbbra is számos ijesztő műszaki kihívással néznek szembe. De ha sikerrel járnak, akkor projektük katalizálhatja a jövőbeli kvantum-internetet - nagyjából ugyanúgy, mint az Arpanet, amelyet az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma hozott létre a 1960-k késői szakaszában, az olyan internet létrehozását inspirálta, amelyet ma ismertünk.
Végtelen kvitek
Az internet sebezhető a Snowden által feltárt hackelés miatt, mivel az adatok továbbra is kábeleken mozognak klasszikus bit formájában - az elektromos vagy optikai impulzusok áramlása 1s és 0s. A hackerek, akiknek sikerült becsatlakozniuk a kábelekbe, elolvashatják és lemásolhatják azokat a továbbított biteket.
A kvantumfizika törvényei viszont megengedik, hogy egy részecske - például egy atom, egy elektron vagy (az optikai kábelek mentén történő továbbításhoz) egy fényfoton - elfoglaljon egy kvantumállapotot, amely a 1 és a 0 egyidejűleg. Egy ilyen részecskét kvantum bitnek vagy qubitnek hívnak. Amikor megkísérel megfigyelni egy qubit-ot, annak állapota bármelyikre „összeomlik” 1 or 0. Ez, magyarázza Wehner, azt jelenti, hogy ha a hackert kvitek folyamába csapja be, akkor a betolakodó is megsemmisíti az abban a folyadékban található kvantuminformációkat, és egyértelmű jelet hagy annak megsértésére.
Ennek a tulajdonságnak köszönhetően a kviteket jó ideje használják titkosítási kulcsok előállítására kvantumkulcs-eloszlásnak (QKD) ismert folyamatban. Ez magában foglalja az adatok klasszikus formában történő továbbítását egy hálózaton keresztül, míg az adatok dekódolásához szükséges kulcsok kvantumállapotban külön kerülnek továbbításra.
Kína bemutatta a QKD néhány lenyűgöző alkalmazását. Tavaly egy Micius nevű műholdat használt továbbítja a kvantumkulcsokat két földi állomásra, az egyik Pekingben, a másik Bécsben. A gombokat ezután használták a klasszikus adatok dekódolásához a két város közötti biztonságos videohíváshoz. A kulcsokat tartalmazó kommunikáció elfogásának bármilyen kísérlete tönkretette őket, és a kémeknek (vagy bárki másnak) lehetetlenné vált a videohívás visszafejtése. Kína egy szárazföldi QKD kommunikációs hálózatot épített Pekingből Sanghajba, amelyet a bankok és más vállalatok érzékeny kereskedelmi adatok továbbítására használnak.
A megközelítésnek azonban vannak korlátai. A fotonok felszívódhatnak a légkörben vagy a kábelekben található anyagok révén, ami azt jelenti, hogy tipikusan csak néhány tíz kilométert tudnak megtenni. A pekingi-sanghaji hálózat megkerüli ezt azáltal, hogy 32 úgynevezett „megbízható csomópontokkal” rendelkezik a hálózat különböző pontjain - hasonlóan az ismétlőkhöz, amelyek a jelet egy normál adatkábel segítségével erősítik. Ezeken a csomópontokon a kulcsok dekódolása klasszikus formába történik, majd egy új kvantumállapotban újból titkosítva kerülnek a következő útponthoz való utazáshoz. De ez azt jelenti, hogy a megbízható csomópontokban valóban nem szabad megbízni. A hackerek, akik megsértik a biztonságot, észrevétlenül lemásolhatják a klasszikus kulcsokat, akárcsak a csomópontokat üzemeltető társaság vagy kormány.
Kvantum teleportáció
Wehner, Hanson és munkatársaik a QuTech-nél arra törekednek, hogy leküzdjék ezeket a korlátokat egy teljesen biztonságos kvantum-internet felépítéséhez.
Az általuk alkalmazott megközelítést kvantumteleportálásnak hívják. Ez úgy hangzik, mint a tudományos-fantasztikus, de ez tényleges módszer az adatok továbbítására. A kvantum összefonódásnak nevezett jelenségre támaszkodik.
Az összefonódás azt jelenti, hogy egy kvantum-pár - fényfotók erre a célra - létrehozását egyetlen kvantumállapotban végzik el, hogy még ha ellentétes irányba is menjenek, megőrizzék a kvantumkapcsolatot. Az egyik foton állapotának megváltoztatása azonnal kiszámítható módon megváltoztatja a másik fotométer állapotát, függetlenül attól, hogy milyen távol vannak egymástól. Albert Einstein ezt „kísérteties cselekedetnek nevezték távolról”.
A kvantum-teleportáláshoz először két összefonódott fotont kell küldeni két embernek - Alicenek és Bobnak hívják őket. Alice megkapja összefonódott fotonját, és lehetővé teszi, hogy kölcsönhatásba lépjen egy „memória qubittel”, amely olyan adatokat tárol, amelyeket Bobnak továbbítani akar. Ez az interakció megváltoztatja fotonjának állapotát, és ezáltal megváltoztatja Bob fotonjának állapotát is. Valójában ez „teleportálja” Alice memóriájának adatait, Alice fotonájáról Bob-ra. Az alábbi ábra egy kicsit részletesebben ismerteti a folyamatot.
A gondolkodás másik módja: az összefonódott fotopár olyan, mint egy virtuális, egyszeri adatkábel két vége. Valahányszor Alice és Bob adatokat akar küldeni, először kap egy új kábelt, és mivel mindegyiknek van egy vége, csak ők használhatják. Ez teszi biztonságossá a lehallgatástól.
wpDiscuz