Dette er den andre av en serie med fire artikler om hvordan kvanteforviklinger endrer teknologi og hvordan vi forstår universet rundt oss. I forrige artikkel, diskuterte vi hva kvanteforviklinger er og hvordan fysikere på begynnelsen av 1900-tallet utviklet ideen om at naturen er usikker. I denne artikkelen diskuterer vi hvordan sammenfiltring kan transformere hvordan vi kan kommunisere.
Kvanteforviklinger har lært oss at naturen er rar. Ingenting er sikkert på kvanteskalaen. Vi kjenner kanskje ikke egenskapene til partikler, men dette er ikke fordi instrumentene våre ikke er gode nok. Det er fordi partikler ikke engang har bestemte egenskaper før de er observert. Naturen er usikker, og denne usikkerheten er innebygd i selve universets vev.
Du tenker kanskje: Dette er veldig interessant, men hva har det med meg å gjøre?
Faktum er – mye. Kvanteforviklinger er ikke bare teori. Det har implikasjoner i den virkelige verden på mange områder. I dag skal vi diskutere en veldig praktisk anvendelse: sikring av kommunikasjonen vår. Ved å utnytte usikkerheten som ligger i kvanteskalaen, kan kommunikasjonen vår bli raskere og sikrere, og transformere internett og hvordan vi driver forretninger.
Kvantemessig nødvendighet
Mange av formene for digital kommunikasjon vi bruker vil bli betraktet som klassisk kommunikasjon – alt fra internett til samtaler på mobiltelefoner. Klassisk kommunikasjon består av strenger med 1-er og 0-er, som hver inneholder en “bit” informasjon.
Kvantekommunikasjon er annerledes. Ved å utnytte usikkerheten på kvanteskalaer kan vi la informasjonen vår være både 1 og 0 samtidig. Denne biten av kvanteinformasjon, eller qubit, kan være en superposisjon av tilstander – en 1, 0 eller en kombinasjon – til den blir observert, på hvilket tidspunkt dens bølgefunksjon kollapser. På grunn av superposisjon kan qubits utføre mer enn én beregning om gangen og inneholde mer informasjon enn deres klassiske bit-motstykker.
Personvern i kommunikasjon er ikke bare hyggelig å ha; det er nødvendig. I følge Identity Theft Resource Center var det 1 862 datainnbrudd i 2021, og kompromitterte nesten 300 millioner mennesker. Det er mange kilder til disse datainnbruddene. Mange av dem skjer når informasjon overføres. All kommunikasjon over internett er sårbar for å bli fanget opp og sett av andre enn den tiltenkte mottakeren.
For å beskytte personvernet vårt kan data som overføres via klassiske kommunikasjonskanaler krypteres. Men styrken til denne krypteringen er balansert av oppfinnsomheten til hackeren. Klassisk kommunikasjon er avhengig av kombinasjoner av 1-ere og 0-ere. Hackere kan se på disse 1-ene og 0-ene, kopiere dem og sende dem videre, uten at noen andre kan vite at meldingen ble fanget opp. Sikkerhetsnivået ved bruk av kvantekommunikasjon er derimot forankret i fysikkens lover, og det kan gjøres immun mot hacking ved å bruke en prosess kalt QKD, eller kvantenøkkeldistribusjon.
La oss se et eksempel på hvordan dette kan fungere. La oss si at vi har to personer, Alice og Bob. Alice vil sende Bob litt informasjon. Hun bruker to metoder for å overføre data. I den første sender hun krypterte klassiske data over en vanlig kommunikasjonskanal. For å dekryptere dataene, ville Bob motta en annen del av informasjon fra Alice – denne gangen, en kvantemelding bestående av qubits overført over en kvantekanal. Det kan omfatte fotoner med tilfeldig polarisering. Dette er Bobs kvantenøkkel, og han kan bruke den til å dekode meldingen. Tanken er at budskapet skal forstås først når de klassiske og kvantedataene er kombinert.
Å bruke en kvantenøkkel har noen fordeler i forhold til klassisk kommunikasjon. Bølgefunksjonens usikre natur sørger for at kvanteinformasjon ikke avlyttes, siden den typen interferens vil føre til at qubitenes bølgefunksjon kollapser. Det er heller ikke mulig for en hacker å fange opp, dekryptere og sende signalet på nytt. Dette er fordi en ukjent kvantetilstand ikke kan kopieres. (Dette blir referert til som ikke-kloning teorem.) Derfor, hvis signalet deres blir fanget opp, vil både Alice og Bob få vite det.
Teleportering av informasjon
Ting blir selvfølgelig mer komplisert i virkeligheten. En brøkdel av kvantemeldingen vil bli ødelagt under transport. For eksempel kan et foton som er en del av meldingen samhandle med kanten av den fiberoptiske kabelen, noe som får bølgefunksjonen til å kollapse. Denne prosessen kalles dekoherens.
Når Bob mottar nøkkelen sin, vil han sammenligne den med Alices ved å prøve tilfeldige qubits for å se om den er lik nok. Hvis feilraten er lav, er sjansen stor for at eventuelle feil er et resultat av dekoherens, så Bob vil gå videre og dekode meldingen sin. Hvis feilraten er høy, kan noen ha snappet opp nøkkelen. I dette tilfellet vil Alice generere en ny nøkkel.
Selv om dette er mye sikrere enn klassisk kommunikasjon, er det ikke perfekt. Jo lenger kvantekanalen er, desto større er sjansen for dekoherens. Derfor kan meldingen bare reise noen få titalls kilometer (i en fiberoptisk kabel) før den blir ubrukelig. Quantum repeatere kan brukes til å hjelpe. De kan dekode meldingen og deretter omkode den til en ny kvantetilstand, slik at den kan reise lenger.
Hver dekoding gir imidlertid hackere en mulighet til å fange meldingen. Sikkerheten til QKD forutsetter også at alt fungerer feilfritt – og ingenting i det virkelige liv er feilfritt.
Abonner for kontraintuitive, overraskende og virkningsfulle historier levert til innboksen din hver torsdag
For å øke sikkerheten kan vi vende oss til kvanteforviklinger og bruke en fiffig metode som kalles kvanteteleportering.
I denne metoden har Alice og Bob begge en sammenfiltret qubit. Alice bruker en tredje qubit, som hun lar samhandle med qubiten sin. Som et resultat tar Bobs sammenfiltrede qubit umiddelbart tilstanden til Alices qubit. Alice sender deretter resultatene av interaksjonen til Bob via en klassisk kanal. Bob kan bruke resultatene, kombinert med sin qubit, for å hente meldingen. Denne metoden er sikrere fordi den faktiske meldingen ikke går mellom Alice og Bob – det er ingenting å avskjære.
Kvantekommunikasjonskappløpet
Sikre nettverk som bruker QKD har kommet online og raskt voksende. Et lag i Nederland viste først at de kunne overføre data 10 fot pålitelig ved bruk av kvanteteleportering i 2014. Tre år senere ble en stor milepæl for kvantekommunikasjon nådd da et team av kinesiske forskere brukte Micius-satellitten for å illustrere kvanteforviklinger over de lengste avstandene som er oppnådd, mellom stasjoner mer enn 1200 km fra hverandre.
Størrelsene på QKD-nettverk har også vokst raskt. De første ble opprettet i Boston av DARPA i 2003. For øyeblikket er det største QKD-nettverket i Kina, spenner over 4600 km og består av optiske kabler og to jord-til-satellitt-koblinger. Tidligere i år lanserte Kina Kvinner 1 – en liten kvantesatellitt som veier mindre enn 100 kg, designet for å utføre eksperimenter med kvantenøkkelfordeling i lav bane rundt jorden. Etter hvert kan kvantekommunikasjon vise seg å være det effektiv over store avstander i verdensrommet.
Selv om teknologien fortsatt er i en tidlig fase, har QKD-nettverk tillatt alt fra sikre bankdataoverføringer til verdens første kvantekrypterte videosamtale mellom Kina og Wien, Østerrike. Etter hvert som tiden går, kan kvantekommunikasjon tilby enorme fordeler for sektorer så vidtgående som bank, sikkerhet og militær. Vi er ikke på det punktet hvor kvantekommunikasjon kan distribueres for å beskytte internettkommunikasjonen vår, men vi er kanskje ikke langt unna.