211service.com
Nytt rekord för kvantkryptering
Europeiska forskare har slagit ett avståndsrekord för att skicka kvantinformation från en plats till en annan, vilket banar väg för ett system som förlitar sig på fysikens lagar för att tillhandahålla kommunikation som inte kan avlyssnas. Om de kan utöka räckvidden för sin signal lite längre, kommer de att kunna använda satelliter för att skicka perfekt säker data runt om i världen.
Långdistanssamtal: Intrasslade fotoner skickades 144 kilometer från en ljuskälla på La Palma till en mottagare på Teneriffa (överst) inrymd i ett lokalt observatorium (nederst).
Teamet använde kvantmekanikens principer för att skapa en krypteringsnyckel på två platser samtidigt: en i ett labb på La Palma, på Kanarieöarna, och den andra i ett observatorium på grannön Teneriffa, 144 kilometer bort. En sådan krypteringsnyckel kan användas för att koda data som endast sändaren och mottagaren kan avkoda.
Vi vill se om det överhuvudtaget är möjligt att etablera världsomspännande kvantkommunikation, världsomspännande kvantkryptografi, säger Anton Zeilinger , professor i fysik vid Institutet för experimentell fysik vid universitetet i Wien, Österrike. Hans team, tillsammans med ett team som leds av Harald Weinfurter av Max Planck Institute of Quantum Optics , i Garching, Tyskland, publicerade sina resultat online den 3 juni i tidskriften Naturfysik .
För att skapa nyckeln måste teamet först skapa par av intrasslade fotoner. Entanglement, som Albert Einstein kallade spöklik action på avstånd, innebär att den ena fotons öde hänger ihop med den andras öde. Att mäta någon kvantmekanisk egenskap hos en foton ändrar automatiskt samma egenskap hos dess intrasslade partner, oavsett avståndet mellan dem.
I det här fallet mätte laget polarisering. Ljus kan polariseras i vilken riktning som helst; det är ett mått på i vilken riktning ljusvågorna fluktuerar i, till exempel horisontellt eller vertikalt. Forskare skapade intrasslade par av fotoner genom att avfyra en kraftfull laserstråle genom en kristall. För varje foton som gick in kom två svagare, intrasslade fotoner ut. Forskarna studsade ena hälften av varje par från en spegel till en lokal ljusdetektor på La Palma. De skickade den andra fotonen genom en lins och ut över vattnet, där ett teleskop på Teneriffa fångade den och skickade den till en andra ljusdetektor.
Jag har dessa två fotoner, och om jag mäter dem i båda ändarna och jag frågar dem: ’Är du horisontellt eller vertikalt polariserad?’ – ett binärt val – kommer de att ge ett slumpmässigt svar, säger Zeilinger. Men på grund av förvecklingen kommer båda att ge samma svar. På båda sidor får du en nolla eller på båda sidor får du en etta.
Varje gång detektorerna registrerade en foton och mätte dess polarisation räknades det som lite. En foton polariserad i en riktning var en etta, och en foton polariserad i motsatt riktning var en nolla. Lägg ihop tillräckligt många bitar så får du en krypteringsnyckel. Och det är omöjligt att stjäla den nyckeln utan att användarna vet om det. Om någon skulle fånga upp de flygande fotonerna kunde han mäta dem själv och sedan skicka dem vidare till mottagaren. Men handlingen att mäta dem skulle förändra deras kvantmekaniska egenskaper, så han skulle omedelbart avslöjas.
Krypteringsnycklar som används idag bygger på tron att det krävs enorma datorresurser för att bryta dem, säger man Jeffrey Shapiro , från MIT Optisk och kvantkommunikationsgrupp . Men om någon uppfinner en mycket kraftfullare kvantdator skulle den fördelen gå förlorad. Dessutom är de slumpmässiga nummersekvenserna som genereras för att göra dagens krypteringsnycklar inte riktigt slumpmässiga. De genereras av matematiska operationer, och en smart kodbrytare kan kanske ta reda på algoritmen som används för att generera dem. Kvantbitar, å andra sidan, är helt oförutsägbara, så nycklarna baserade på dem borde vara okrossbara. Det är tilltalande för företag som vill skicka finansiell information på ett säkert sätt, såväl som till regeringar som har alla möjliga typer av känslig kommunikation. Vi vet alla att säkerheten för data är en av de väsentliga frågorna nuförtiden, säger Zeilinger.
Jag tycker att det är underbart arbete, säger Shapiro om den europeiska gruppens tidning. Det imponerande med detta är att de har gjort det över så lång sträcka.
Det bästa som forskare tidigare hade gjort var att detektera intrasslade fotoner över avstånd på cirka 10 kilometer. För att förbättra det bytte Zeilingers team till en laser som avger ljus i pulser istället för en kontinuerlig stråle. Den pulsade lasern har bara en upprepningshastighet på 249 megahertz – mycket långsammare än de 10 gigahertz-lasrar som vanligtvis används i optiska kommunikationsnätverk, vilket begränsar hur mycket av en signal som kan skickas under en given tidsperiod. Den pulsade lasern är inte heller lika bra som den kontinuerliga på att producera intrassling. Men det är nära, och det gav teammedlemmarna mycket mer kontroll över när de producerade fotoner, vilket hjälpte dem att separera de fotoner de ville ha från ströljus vid detektorn, så att de kunde läsa signalen mer tillförlitligt. Forskarna var också tvungna att hantera atmosfärisk turbulens som förvränger fotonernas väg. De använde ett automatiserat system som kontinuerligt justerade teleskopets inriktning för att ta hand om det, även om ljusstrålen fortfarande vandrade över detektorn något.
Förhoppningen, säger Zeilinger, är att förbättra lasrarna och detektorerna tillräckligt mycket för att sådana fria rymdlänkar fungerar mellan markstationer och satelliter, så att krypteringsnycklar kan skickas från var som helst på jorden till vilken annan som helst. Eftersom de flesta kommunikationssatelliter kretsar på höjder av 300 till 500 kilometer, med våra 144 kilometer, når vi dit, säger han.
Det faktum att laget tog den sträckan i ledigt utrymme är verkligen mycket betydelsefullt, säger Prem Kumar , direktör för Centrum för fotonisk kommunikation och datoranvändning vid Northwestern University. Han har skickat intrasslade fotoner över optisk fiber, vilket är bra för korta avstånd, säger han. Men eftersom fiber absorberar fotoner är det inte praktiskt för mer än 100 till 200 kilometer, vilket inte skulle tillåta global distribution.
Forskarna ingår i ett europeiskt konsortium med cirka 20 grupper, kallat SECOQC, som arbetar med säker kommunikation baserad på kvantkryptografi. Konsortiet har som mål att testa ett säkert system i Europa någon gång nästa år.