Joseph Norman
0 
884
118
Według nowego, oszałamiającego listu badawczego Chiny dysponują technologią kwantową, która doskonale szyfruje użyteczne sygnały na odległościach znacznie większych niż ktokolwiek kiedykolwiek osiągnął, w Europie i Azji..
Fragmenty informacji lub sygnały przechodzą przez domy ludzi, niebo nad ich głowami i ciało ludzkie w każdej sekundzie każdego dnia. To sygnały telewizyjne i radio, a także prywatne rozmowy telefoniczne i pliki danych.
Niektóre z tych sygnałów są publiczne, ale większość jest prywatnych - zaszyfrowanych długimi ciągami liczb znanymi (prawdopodobnie) tylko nadawcom i odbiorcom. Te klucze są wystarczająco potężne, aby zachować sekrety współczesnego społeczeństwa: zalotne wiadomości tekstowe, numery kont bankowych i hasła do ukrytych baz danych. Ale są kruche. Wystarczająco zdeterminowana osoba, dysponująca odpowiednio potężnym komputerem, mogłaby je złamać.
„Historycznie rzecz biorąc, każdy postęp w kryptografii został pokonany przez postęp w technologii krakowania” - napisał w e-mailu Jian-Wei Pan, badacz z Uniwersytetu Nauki i Technologii w Chinach i autor tego listu badawczego. „Kwantowa dystrybucja klucza kończy tę bitwę”.
Klucze kwantowe to długie ciągi liczb - klucze do otwierania zaszyfrowanych plików, takie jak te używane we współczesnych komputerach - ale są zakodowane w stanie fizycznym cząstek kwantowych. Oznacza to, że chronią je nie tylko ograniczenia komputerów, ale także prawa fizyki.
Klucze kwantowe nie mogą być kopiowane. Mogą szyfrować transmisje między innymi klasycznymi komputerami. I nikt nie może ich ukraść - zgodnie z prawem mechaniki kwantowej, raz zaobserwowana cząstka subatomowa, poof, zostaje zmieniona - bez ostrzegania nadawcy i odbiorcy o brudnej sztuczce. [Co to jest? Odpowiedzi na pytania dotyczące fizyki]
A teraz, zgodnie z nowym pismem, które ma zostać opublikowane dzisiaj (19 stycznia) w czasopiśmie Physical Review Letters, klucze kwantowe mogą podróżować przez satelitę, szyfrując wiadomości przesyłane między miastami oddalonymi o tysiące mil..
Naukowcy zakodowali obrazy zaszyfrowane kwantowo, kodując je jako ciągi liczb w oparciu o stany kwantowe fotonów i wysłali je na odległości do 4722 mil (7600 kilometrów) między Pekinem a Wiedniem - bijąc poprzedni rekord 251 mil (404 km) , również rozgrywający się w Chinach. Następnie, na wszelki wypadek, 29 września 2017 r. Przeprowadzili 75-minutową wideokonferencję między naukowcami z dwóch miast, również zaszyfrowaną za pomocą klucza kwantowego. (Ta wideokonferencja została ogłoszona wcześniej, ale pełne szczegóły eksperymentu zostały przedstawione w tym nowym liście).
Satelita
Dystrybucja klucza kwantowego na duże odległości jest kolejnym osiągnięciem chińskiego satelity Micius, który był odpowiedzialny za zbicie wielu rekordów sieci kwantowych w 2017 roku. Micius to potężny przekaźnik i detektor fotonów. Wystrzelony na niską orbitę okołoziemską w 2016 r., Wykorzystuje swoje doskonałe lasery i detektory do wysyłania i odbierania pakietów informacji kwantowych - w zasadzie informacji o stanie kwantowym fotonu - w rozległych obszarach przestrzeni i atmosfery..
„Micius jest najjaśniejszą gwiazdą na niebie, kiedy przelatuje nad stacją” - napisał Pan. „Gwiazda jest [tak] zielona jak promiennik laserowy [którego Micius używa do kierowania fotonów w ziemię]. Jeśli w powietrzu jest trochę pyłu, [również] zobaczysz czerwoną linię światła skierowaną w stronę satelity. Brak dźwięku pochodzi z kosmosu. Może są jakieś podniesione przez ruch stacji naziemnej. "
Prawie za każdym razem, gdy Micius cokolwiek robi, wyrzuca z wody poprzednie rekordy. Dzieje się tak, ponieważ poprzednie sieci kwantowe polegały na przepuszczaniu fotonów na ziemi, wykorzystując powietrze między budynkami lub kable światłowodowe. I istnieją ograniczenia co do pola widzenia na ziemi lub tego, jak daleko światłowód przeniesie foton bez utraty go.
W czerwcu 2017 r. Naukowcy Micius ogłosili, że wysłali dwa „splątane” fotony do stacji naziemnych w odległości 745 mil (1200 km) od siebie. (Kiedy para fotonów zostaje splątana, oddziałują na siebie nawzajem, nawet gdy są oddzielone dużymi odległościami). Miesiąc później, w lipcu, ogłosili, że teleportowali pakiet informacji kwantowych na orbitę 870 mil (1400 km) z Tybetu, co oznacza, że stan kwantowy cząstki został wysłany bezpośrednio z cząstki na ziemi do jej bliźniaka w przestrzeni.
Oba te osiągnięcia były głównymi krokami na drodze do rzeczywistych sieci szyfrowanych kluczem kwantowym.
Nowy list informuje, że teoria została wprowadzona w życie.
Micius najpierw zaszyfrował dwa zdjęcia, mały obraz samego satelity Micius, a następnie zdjęcie wczesnego fizyka kwantowego Erwina Schrödingera. Następnie zaszyfrował tę długą rozmowę wideo. Żaden podobny akt dystrybucji klucza kwantowego nigdy nie został osiągnięty na takiej odległości.
Już, powiedział Pan, Micius jest gotowy do użycia do zaszyfrowania ważniejszych informacji.
Jak działa klucz kwantowy?
Dystrybucja klucza kwantowego jest zasadniczo twórczym zastosowaniem tak zwanej zasady nieoznaczoności Heisenberga, jednej z fundamentalnych zasad mechaniki kwantowej. Jak wcześniej informowaliśmy, zasada nieoznaczoności stwierdza, że niemożliwe jest pełne poznanie stanu kwantowego cząstki - i co najważniejsze, obserwując część tego stanu, detektor na zawsze usuwa inne istotne informacje, które zawiera cząstka..
Ta zasada okazuje się bardzo przydatna przy kodowaniu informacji. Jak napisał belgijski kryptograf Gilles Van Assche w swojej książce z 2006 roku „Quantum Cryptography and Secret-Key Distillation”, nadawca i odbiorca mogą używać stanów kwantowych cząstek do generowania ciągów liczb. Komputer może następnie użyć tych ciągów do zaszyfrowania niektórych informacji, takich jak wideo lub tekst, które następnie wysyła klasycznym przekaźnikiem, takim jak połączenie internetowe, którego używasz do czytania tego artykułu.
Ale nie wysyła klucza szyfrowania przez ten przekaźnik. Zamiast tego wysyła te cząstki przez oddzielną sieć kwantową, napisał Van Assche.
W przypadku Miciusa oznacza to wysyłanie pojedynczych fotonów przez atmosferę. Odbiornik może następnie odczytać stany kwantowe tych fotonów, aby określić klucz kwantowy i użyć tego klucza do odszyfrowania klasycznej wiadomości. [Album: Najpiękniejsze równania świata]
Gdyby jednak ktokolwiek inny próbował przechwycić tę wiadomość, pozostawiłby charakterystyczne oznaki - brakujące pakiety klucza, które nigdy nie dotarły do nadawcy.
Oczywiście żadna sieć nie jest idealna, zwłaszcza sieć oparta na informacjach o wykonywaniu pojedynczych zdjęć z wielu kilometrów przestrzeni. Jak napisali naukowcy Micius, w pogodny dzień sieci zazwyczaj tracą 1 lub 2 procent swojego klucza. Ale to dobrze w ramach tego, co Micius i stacja bazowa mogą współpracować, aby edytować z klucza, używając fantazyjnej matematyki. Nawet jeśli napastnik przechwycił i zniszczył znacznie większą część transmisji, to, czego nie złapie, nadal będzie czyste - krótsze, ale wystarczająco bezpieczne, aby zaszyfrować transmisje w mgnieniu oka. [Jak działa kwantowe splątanie (infografika)]
Jednak połączenie między Miciusem a Ziemią nie jest jeszcze całkowicie bezpieczne. Jak napisał zespół autorów z Chin i Austrii, wadą projektu sieci jest sam satelita. Obecnie stacje bazowe w każdym połączonym mieście otrzymują z satelity różne klucze kwantowe, które są mnożone razem, a następnie rozplątywane. Ten system działa dobrze, o ile komunikatorzy ufają, że żaden tajny oddział nikczemnych astronautów nie włamał się do samego Miciusa, by odczytać kwantowy klucz u źródła. Kolejnym krokiem w kierunku naprawdę doskonałego bezpieczeństwa, napisali, jest dystrybucja kluczy kwantowych z satelitów za pośrednictwem uwikłany fotony - klucze, które satelity będą wytwarzać i rozpowszechniać, ale same nigdy nie będą w stanie odczytać.
Naukowcy napisali, że z czasem planują wystrzelić więcej satelitów kwantowych na wyższe orbity - satelity, które będą się komunikować między sobą oraz z naukowcami na Ziemi w coraz bardziej złożonych sieciach..
Ta powoli rozprzestrzeniająca się, coraz bardziej praktyczna sieć kwantowa zostanie najpierw zbudowana dla Chin i Europy, jak napisali, „a następnie na skalę globalną”.