Första experimentella demonstrationen av en Quantum Enigma Machine

En av de stora obesjungna hjältarna inom 1900-talets vetenskap var en matematiker och ingenjör vid de berömda Bell Laboratories i New Jersey som heter Claude Shannon. Under 1940-, 50- och 60-talen lade Shannon den matematiska grunden för modern kommunikation och datorer samtidigt som han byggde några av de första intelligenta maskinerna.

Längs vägen gjorde han också ett stort bidrag till teorin om kryptografi med en artikel med titeln Communication Theory of Secrecy Systems, publicerad 1949. I den visade han att det är möjligt att skicka ett helt säkert meddelande förutsatt att krypteringsnyckeln är helt slumpmässig. och använd endast en gång.

Shannons arbete är det matematiska beviset på att engångsplattan är en verkligt okrossbar form av kryptering. Ett kritiskt villkor är att krypteringsnyckeln måste vara minst lika lång som själva meddelandet.

Den första quantum enigma maskinen.

Shannons arbete förutsätter att meddelandet skickas med konventionella former av överföring. Men under de senaste 10 åren har kvantfysiker visat att det går att göra bättre om meddelandet krypteras med hjälp av kvantregler. I synnerhet har de visat att i kvantvärlden kan ett säkert meddelande skickas med en nyckel som är betydligt kortare än själva meddelandet. Åtminstone i teorin.

Forskare har döpt den här enheten till en kvantenigmamaskin, efter den nazistiska krypteringsenhet som kodbrytare ledda av Alan Turing knäckte under andra världskriget. Men enheten har varit helt teoretisk.

Tills nu. Idag avslöjar Daniel Lum vid University of Rochester i delstaten New York och några kompisar en verklig fungerande kvantgåtamaskin för första gången. Deras proof-of-princip-enhet kan skicka helt säkra meddelanden med en nyckel som är kortare än själva meddelandet.

En engångsknapp fungerar genom att lägga till ett slumpmässigt nummer till varje siffra i ett meddelande. Det gör att meddelandet inte kan skiljas från en slumpmässighet. Det kan bara läsas genom att subtrahera samma slumptal för att producera det ursprungliga meddelandet.

Sekretessen beror på att sändaren och mottagaren är de enda personerna med listan med slumptal. Och naturligtvis måste denna lista vara längre än själva meddelandet.

Kvantversionen av denna process fungerar genom att koda information i ett kvantobjekt såsom en foton och sedan ändra tillståndet för fotonen med en slumpmässig operation. Informationen kan endast hämtas genom att vända den slumpmässiga operationen. Så så länge som bara sändaren och mottagaren känner till sekvensen av slumpmässiga operationer – kvantnyckeln – och att denna nyckel endast används en gång, är meddelandet helt säkert.

Kvantteoretiker har dock visat att kvantnyckeln kan vara exponentiellt kortare än själva meddelandet.

Nu har Lum och co byggt en sändare och mottagare som utnyttjar denna mekanism. Deras enhet består av en fotonpistol som avfyrar enstaka fotoner genom en sorts mask som kallas en rumslig ljusmodulator som överlagrar information på fotonens vågfront. Om denna modulator består av en 8 x 8 array kan den koda 64 bitar av information. Samtidigt lägger den rumsliga ljusmodulatorn till en slumpmässig signal till informationen den sänder.

Det viktiga är att all information som är kodad på fotonen slumpas av en slumpmässig signal. Så sekvensen av slumpmässiga signaler som används för kryptering kan vara betydligt kortare än själva meddelandet.

Det tillåter en viktig twist. Eftersom meddelandet är kortare än nyckeln är det också möjligt att skicka en ny nyckel för att koda nästa meddelande. På detta sätt skickas meddelandet och den nya nyckeln samtidigt och båda hålls helt hemliga.

Mottagaren detekterar varje foton med hjälp av en ljuskänslig array som kan plocka ut mönstret som är överlagrat på fotonen. Den subtraherar sedan den slumpmässiga signalen som lämnar det ursprungliga meddelandet.

Lum och co har gjort precis detta. Vi demonstrerade fenomenet med ett proof-of-principle-experiment för att låsa 6 bitar per foton samtidigt som vi använde mindre än 6 bitar per foton av hemlig nyckel, säger teamet. Med andra ord, dessa killar har byggt den första proof-of-principe quantum enigma machine.

Det är ett intressant resultat som har omedelbar tillämpning. Fysiker använder redan kvantmekanik för att skicka perfekt säkra meddelanden med en teknik som kallas kvantnyckeldistribution. Teknikerna för att göra detta blir allt mer avancerade. Det finns faktiskt redan kommersiella versioner av denna typ av kvantkryptering på marknaden.

Lum och co säger att tekniken och teknikerna som utvecklats för kvantnyckeldistribution omedelbart kan appliceras på att bygga quantum enigma-maskiner. Så det finns ingen anledning till varför tekniken inte kan kommersialiseras inom en snar framtid. Shannon skulle säkert bli imponerad.

Ref: arxiv.org/abs/1605.06556 : En Quantum Enigma Machine: Experimentellt demonstrerar kvantdatalåsning

Dölj