Inside Europes strävan efter att bygga ett ohackbart kvantinternet

Konceptuell illustration av ett lås med intrasslade fotoner inuti det, på en illustrerad nätverksbakgrund Mengxin Li

Snabbtåget från Paris till Rotterdam var en timme försenat och lämnade Gare du Nord. När det slutligen deponerade mig i den holländska staden upptäckte jag att det vidare tåget till Delft hade stoppats på grund av underhållsarbete på spåren. Det tog två omständliga bussresor och en taxiresa innan jag äntligen nådde min destination.

Med tanke på att jag var där för att lära mig om framtidens kommunikation verkade detta lämpligt. Min resa var en påminnelse om att även om att frakta människor från plats till plats fortfarande är full av oförutsedda fel, flödar gigantiska mängder data smidigt och snabbt hela dagen, varje dag genom de fiberoptiska kablarna som förbinder städer, länder och hela kontinenter.

Och ändå har dessa datanätverk en svaghet: de kan hackas. Bland de hemliga dokument som läckte ut för några år sedan av US National Security Agency-entreprenören Edward Snowden fanns sådana som visade att västerländska underrättelsetjänster hade lyckats utnyttja kommunikationskablar och spionera på de enorma mängder trafik som flödar genom dem.

Forskningsinstitutet jag besökte i Delft, QuTech , arbetar på ett system som skulle kunna göra den här typen av övervakning omöjlig. Tanken är att utnyttja kvantmekaniken för att skapa ett felfritt säkert kommunikationsnätverk mellan Delft och tre andra städer i Nederländerna i slutet av 2020 (se kartan nedan för de planerade länkarna).

QuTech-forskarna, ledda av Stephanie Wehner och Ronald Hanson, står fortfarande inför ett antal skrämmande tekniska utmaningar. Men om de lyckas kan deras projekt katalysera ett framtida kvantinternet – på ungefär samma sätt som Arpanet, som det amerikanska försvarsdepartementet skapade i slutet av 1960-talet, inspirerade till skapandet av internet som vi känner det idag.

distancecalculator.net / ms tech

Oefterhärmliga qubits

Internet är sårbart för den typ av hacking som avslöjats av Snowden eftersom data fortfarande färdas över kablar i form av klassiska bitar – en ström av elektriska eller optiska pulser som representerar ett s och 0 s. En hackare som lyckas ta sig in i kablarna kan läsa och kopiera dessa bitar under transporten.

Kvantfysikens lagar tillåter å andra sidan en partikel – till exempel en atom, en elektron eller (för att sända längs optiska kablar) en foton av ljus – att ockupera ett kvanttillstånd som representerar en kombination av ett och 0 samtidigt. En sådan partikel kallas en kvantbit eller kvantbit. När du försöker observera en qubit kollapsar dess tillstånd till antingen ett eller 0 . Detta, förklarar Wehner, betyder att om en hacker utnyttjar en ström av qubits, förstör inkräktaren både kvantinformationen i den strömmen och lämnar en tydlig signal om att den har manipulerats.

På grund av denna egenskap har qubits använts under ganska lång tid för att generera krypteringsnycklar i en process som kallas kvantnyckeldistribution (QKD). Detta innebär att skicka data i klassisk form över ett nätverk, medan nycklarna som behövs för att dekryptera data överförs separat i ett kvanttillstånd.

Kina har visat några imponerande tillämpningar av QKD. Förra året använde den en satellit som heter Micius för att sända kvantnycklar till två markstationer, en i Peking och den andra i Wien. Nycklarna användes sedan för att dekryptera klassisk data för ett säkert videosamtal mellan de två städerna. Varje försök att avlyssna kommunikationen som innehåller nycklarna skulle ha förstört dem, vilket gör det omöjligt för spionerna (eller någon annan) att dekryptera videosamtalet. Kina har också byggt ett landbaserat QKD-kommunikationsnätverk från Peking till Shanghai som banker och andra företag använder för att överföra känslig kommersiell data.

Tillvägagångssättet har dock begränsningar. Fotoner kan absorberas i atmosfären eller av material i kablar, vilket innebär att de vanligtvis inte kan färdas längre än några tiotals kilometer. Peking-Shanghai-nätverket kommer runt detta genom att ha 32 så kallade betrodda noder på olika punkter längs det – liknande repeaters som förstärker signalen i en vanlig datakabel. Vid dessa noder dekrypteras nycklar till klassisk form och krypteras sedan på nytt i ett nytt kvanttillstånd för deras resa till nästa waypoint. Men detta betyder att betrodda noder verkligen inte borde vara betrodda. En hackare som bryter mot sin säkerhet kan kopiera de klassiska nycklarna oupptäckta, liksom ett företag eller en regering som driver noderna.

Kvantteleportering

Wehner, Hanson och deras kollegor på QuTech siktar på att övervinna dessa begränsningar för att bygga ett helt säkert kvantinternet.

Metoden de använder kallas kvantteleportation. Detta kan låta som science fiction, men det är en faktisk metod för att överföra data. Det förlitar sig på ett fenomen som kallas quantum entanglement.

Entanglement innebär att skapa ett par qubits - fotoner av ljus, för detta ändamål - i ett enda kvanttillstånd, så att även om de reser i motsatt riktning, behåller de en kvantkoppling. Att ändra tillståndet för en foton kommer omedelbart att ändra tillståndet för den andra på ett förutsägbart sätt, oavsett hur långt ifrån varandra de är. Albert Einstein kallade denna spöklika handling på avstånd.

Kvantteleportering kräver alltså att man först skickar ett par intrasslade fotoner till två personer – kalla dem Alice och Bob. Alice tar emot sin intrasslade foton och låter den interagera med en minnesqubit som innehåller data som hon vill överföra till Bob. Denna interaktion förändrar tillståndet för hennes foton och ändrar därmed även Bobs fotons tillstånd. I själva verket teleporterar detta data i Alices minnesqubit från Alices foton till Bobs. Illustrationen nedan beskriver processen lite mer detaljerat.

Ett annat sätt att tänka på det: det intrasslade fotonparet är som de två ändarna av en virtuell, engångsdatakabel. Varje gång Alice och Bob vill skicka data får de först en ny kabel, och eftersom var och en av dem håller en ände är det bara de som kan använda den. Det är det som gör den säker från avlyssning.

ms tech

Det finns olika sätt i praktiken att skapa entangled qubits. Hanson, som leder hårdvarusidan av QuTechs initiativ, använder mikroskopiska syntetiska diamanter med ett avsiktligt fel i dem som kallas en kvävevakansdefekt. Denna defekt kan manipuleras med hjälp av ljus och mikrovågor för att avge fotoner som kan skickas till avlägsna platser.

Att få detta i skala är dock en enorm vetenskaplig och ingenjörsmässig utmaning, som Hanson lätt erkänner. Vi kan försöka göra långväga förveckling, men det misslyckas för det mesta, säger han. Med tanke på att fiberoptiska kablar ibland tar rondellvägar, kommer avstånden som fotonerna måste färdas i QuTech-projektet sannolikt vara längre än de direkta som visas på vår karta.

Ändå har det varit uppmuntrande framsteg. Tillbaka 2015 lyckades Hanson och en grupp andra forskare trassla in qubits 1,3 kilometer (0,8 miles) från varandra, men anslutningen kunde upprättas bara en gång i timmen och varade i en bråkdel av en sekund. I juni i år meddelade forskarna att de hade intrasslat två elektroner med ett par meters mellanrum 40 gånger per sekund. Detta gjorde dem först i världen att visa det intrassling på begäran är möjligt.

Laser vågmakare

Det experimentet ägde rum i ett laboratorium. Att replikera det i den verkliga världen är en annan sak. De tekniska hindren inkluderar inte bara att påskynda intrassling och bibehålla den över mycket längre avstånd, utan också att utföra ett känsligt fysiktrick som använder laserpulser för att öka fotonernas våglängder så att de kan färdas längre över fiberoptiska kablar.

Medan Hanson är fokuserad på dessa utmaningar, har Wehner lett nätverksdesignen och mjukvaruinnovationen som behövs för att göra kopplingen mellan fyra städer till verklighet. Programvara som används för att styra klassiska kommunikationsnätverk klarar inte av saker som trassling, så Wehner har arbetat på en ny arkitektur som kommer att göra det möjligt att kontrollera det nya kvantnätverket effektivt och bygga applikationer för det.

Vid ett nyligen genomfört hackathon som QuTech organiserade tillsammans med Europas regionala internetregister, inkluderade applikationerna säker röstning, digitala signaturer och till och med en kvantchatttjänst.

QuTech-teamet verkar fast beslutna att nå sitt mål att färdigställa nätverket med fyra städer i slutet av 2020, även om Wehner medger att deadline är supersnäv. Det de lär sig kommer att informera om ett nyligen lanserat europeiskt projekt, Quantum Internet Alliance (QIA). Wehner samordnar alliansen , vars mål är att bygga ett kvantinternet som möjliggör kvantkommunikationstillämpningar mellan två valfria punkter på jorden.

Det är minst sagt ambitiöst. Även om Nederländerna är en användbar testbädd, är avstånden mellan städerna ganska små. Större nätverk kommer sannolikt att kräva kvantrepeterare. Till skillnad från de betrodda noderna i Kinas nätverk, som förvandlar kvantinformation till klassisk form och sedan tillbaka igen, kommer dessa repeaters, eller mellanstationer med kvantprocessorer, att behövas för att utöka intrasslingen över tusentals miles så att nätverken förblir ogenomträngliga för hackare.

Stephanie Wehner och Ronald Hanson Marieke de Lorjin | QuTech

Olika forskare, inklusive ett team på QuTech, arbetar med denna idé, men den är fortfarande i sin linda. Det finns många vackra teorier där ute, säger Tracy Northup, professor vid universitetet i Innsbruck som också är involverad i QIA, men det finns inte ens ett principbevis i labbet ännu.

Förutsatt att ett kvantinternet blir verklighet kommer det att väcka viktiga frågor. Kommer det att vara tillgängligt för alla, eller kommer företag och regeringar med djupa fickor att använda kvantbanor medan andra är överlämnade till mindre säkra klassiska? Och kommer regeringar att börja insistera på att de behöver särskilda åtkomstpunkter till kvantnätverk, precis som de nu agiterar för bakdörrar till mjukvara och smartphones?

Om QuTech-teamet kan övervinna de tekniska hinder som det står inför, kommer vi att komma ett stort steg närmare. Och forskarna i Nederländerna är inte de enda att hålla ett öga på. Kina kläcker en plan för ett helt kvantkommunikationsnätverk som skulle länka samman staden Zhuhai med Hongkong. Och med Micius och deras befintliga landbaserade nätverk har kineserna visat hur snabbt de kan avancera. Kapplöpet mot ett kvantinternet är i full gång.

Dölj