Brug af sammenfiltrede partikler til at skabe ubrydelig kryptering

Opdagelsen af ​​kvantemekanikken åbnede døren til fundamentalt nye måder at kommunikere, behandle og beskytte data på. Med en kvanterevolution godt i gang, kommer lange uanede muligheder inden for vores rækkevidde.

Fra de grundlæggende spørgsmål om, hvordan universet arbejder for at sikre kommunikation - det er kvantemekanikken, der holder vores fremtids løsninger. Professor Artur Ekert, pioner inden for feltet og fader til kvantekryptografi, har været professor (adjunkt) og leder af OIST's kvanteinformationssikkerhedsenhed siden april 2021. Professor Ekert, som nu er i stand til at opholde sig hyppigere på OIST efter pandemien, blev interviewet.

Med en baggrund i anvendt matematik havde han ikke planlagt at arbejde med fysik, før han faldt over "The Feynman Lectures on Physics" på et bibliotek - "Jeg læste den og var fuldstændig hooked!" siger prof. Ekert. Med denne nyfundne passion begyndte han at arbejde hen imod sin ph.d. på University of Oxford, hvor han også mødte sin mentor David Deutsch, pioneren inden for kvanteberegning. Samtidig stødte han på et andet indflydelsesrigt papir om kvanteforviklinger, skrevet af den berømte fysiker Alain Aspect.

"Jeg var dybt imponeret - papiret viste, at kvantemekanik i sagens natur er uforudsigelig. Dette var mit udgangspunkt, da jeg forstod, at dette kan bruges til sikker kommunikation," siger prof. Ekert. Men før disse banebrydende eksperimenter af Aspect og kolleger var der voldsom debat om, hvorvidt eksperimenter i kvantemekanik i sagens natur er uforudsigelige eller ej.

Selvom det var muligt at få statistiske forudsigelser om resultaterne af disse eksperimenter, forblev bestemte udsagn altid uden for rækkevidde. "Nu var spørgsmålet, om vi beskæftiger os med ægte tilfældighed inden for kvantemekanik eller bare vores manglende evne til endnu at forudsige resultater godt nok?" forklarer prof. Ekert. Det viste sig, at svaret på dette spørgsmål også var nøglen til udviklingen af ​​kvantekryptografi.

Er der ægte tilfældighed i universet?

Tilfældige hændelser kan kategoriseres i to forskellige typer, som videnskabsmænd omtaler som objektiv og subjektiv tilfældighed. "For eksempel kan noget forekomme tilfældigt for dig, men ikke for mig, fordi jeg har flere oplysninger, der giver mig mulighed for at forstå og forudsige begivenheden. Hvis du ikke har adgang til disse yderligere oplysninger, vil begivenheden fremstå tilfældig for dig - dette er det, vi kalder subjektiv tilfældighed," forklarer prof. Ekert.

Overraskende nok hører det klassiske eksempel på et møntkast til kategorien subjektiv tilfældighed. Med tilstrækkelig viden om startforholdene, mønternes bevægelse og struktur, luftcirkulationen i rummet med mere, ville resultatet af enhver møntkast blive perfekt forudsigelig. "Objektiv tilfældighed på den anden side er en begivenhed, som man ikke kan forudsige resultatet af, selvom man vidste absolut alt om det," siger prof. Ekert.

Hvorvidt kvantefysik har elementer af denne objektive tilfældighed, blev diskuteret blandt videnskabsmænd i det 20. århundrede og fik meget fremtrædende modstand fra Albert Einstein.

"Han troede, at vi ikke kan forudsige resultaterne af eksperimenter i kvantemekanik, fordi vi mangler information, ikke fordi de i sagens natur er uforudsigelige," siger prof. Ekert. Hvis det var korrekt, og de manglende informationer kunne identificeres, burde resultatet af eksperimenter i kvantemekanik være blevet forudsigeligt. "Han kaldte denne manglende information skjulte variabler," forklarer prof. Ekert.

Denne teoretiske debat rasede i omkring 30 år, indtil videnskabsmanden John Bell kom med en testbar hypotese, nu også omtalt som Bells ulighed. Denne test, blandt andre anvendelser, gjorde det muligt at besvare spørgsmålet, om kvantehændelser virkelig er tilfældige eller ej.

Sådan fungerer det i en nøddeskal; under et passende eksperiment med indfiltrede fotoner måles en specifik parameter. Hvis denne parameter er uden for et forventet interval, understøtter det, at begivenheder på et kvanteniveau har en objektivt tilfældig komponent, men hvis den falder inden for det forventede interval, så er Einsteins indvendinger korrekte, og der er skjulte variabler.

"Problemet var, at da Bell udgav sit arbejde, var det endnu ikke muligt at udføre disse meget komplicerede eksperimenter," siger prof. Ekert. Med matematikken, men ikke de tekniske midler til at udføre testen, forblev debatten ubesvaret i endnu et årti. Indtil 1970'erne, hvor disse eksperimenter endelig blev mulige, var John Clauser blandt de første til at udføre dem.

"Når han udfører disse første eksperimenter, observerer han en krænkelse af Bells ulighed, som understøttede det faktum, at naturen ved dens grundlag er tilfældig," siger prof. Ekert.

Men med datidens stadig begrænsede teknologi forblev dette spændende fund foreløbigt i starten. Faktisk opnåede man først vished om sagen i slutningen af ​​90'erne. Det var blandt andre Alain Aspects, Nicolas Gisin, Ronald Hanson, Jianwei Pan og Anton Zeilingers banebrydende arbejde om kvantesammenfiltringens natur og Bell-ulighederne, der bekræftede kvantemekanikkens grundlæggende virkemåde til gode – hvilket viser, at der er ægte tilfældighed i kvantebegivenheder.

I 2022 delte Aspect, Clauser og Zeilinger en Nobelpris for deres banebrydende eksperimentelle indsats.

Fra kvantemekanik til kvantekryptografi

Efter at have lært om alt dette, mens han arbejdede hen imod sin ph.d., indså prof. Ekert, at tilfældighed kan bruges til at skabe en måde at udvikle ubrydelig kryptering på. Før sikker kommunikation blev kvantum, havde kryptografi allerede gjort det muligt at overføre information sikkert, bortset fra en afgørende faldgrube.

"Lad os forestille os, at du vil overføre information sikkert til en anden person. I så fald har I begge brug for noget, der kaldes en kryptografisk nøgle - som er en fuldstændig tilfældig sekvens af etere og nuller. Denne nøgle skal holdes strengt hemmelig!" siger prof. Ekert. Mens nøglen er tilfældig og derfor meningsløs, vil den senere give dens indehaver mulighed for at afkode den sendte besked.

Men denne traditionelle metode til kryptering har en stor sikkerhedshindring:At holde nøglen hemmelig. Skulle adgang opnås uautoriseret, kunne alle sendte beskeder afkodes, og hvordan kunne der nogensinde være fuldstændig sikkerhed for, at ingen havde fået adgang til de hemmelige nøgler?

Klassisk blev dette problem løst ved at bruge beskyttede linjer til kommunikation og gennem arbejdet fra cybersikkerhedsspecialister, der implementerede forskellige sikkerhedsfunktioner for at beskytte krypteringsnøgler.

"Men du kan se, selv med den bedste sikkerhed på plads, kunne du aldrig være 100 % sikker på, at ingen havde fået adgang," påpeger prof. Ekert.

Alt dette ændrede sig, da eksperimenterne med Bells ulighed viste, at kvantemekanikken har en iboende tilfældig komponent. "En løsning er at bruge kvantenøgler. Disse genereres ved hjælp af sammenfiltrede fotoner," forklarer prof. Ekert.

Denne metode til at generere en kryptografisk nøgle gør det muligt at teste om nogen har haft uautoriseret adgang ved at bruge Bells sætning. "Hvis din nøgle krænker Bells uligheder, kan du være sikker på, at ingen havde adgang til din nøgle," siger prof. Ekert. Med dette havde han opdaget en helt ny måde at sikre kommunikation på:kvantekryptografi.

Denne krypteringsmetode er nu vigtigere end nogensinde, da fremskridt i udviklingen af ​​kvantecomputere vil gøre klassisk kryptering mindre sikker - et problem for følsomme data, for eksempel i den medicinske eller finansielle sektor. Her tilbyder kvantekryptografi en måde at sikre beskyttelse på, men det bliver sandsynligvis ikke standarden for al kommunikation.

"Kvantekryptografi vil ikke helt erstatte klassiske metoder, fordi der ikke altid er behov for perfekt sikkerhed. Ikke alle biler behøver at være op til Formel 1-standarder - det er det samme for kryptering," siger prof. Ekert.

Ikke desto mindre er udvikling af moderne cybersikkerhedsstrategier, der holder trit med nutidens komplekse teknologiske verden, en nøgleudfordring for både videnskaben og samfundet, og en af ​​grundene til, at prof. Ekert bragte professor Ekert til OIST.

"Jeg er her for at hjælpe med at skabe et levende kvante- og cybersikkerhedsfællesskab i Okinawa, og jeg vil også gerne hjælpe med at uddanne folk om cybersikkerhed og forbedre databeskyttelsen," siger prof. Ekert.

Et andet fokus vil være hans forskning i begrebet tilfældighed, som OIST tilbyder ideelle betingelser for. "Jeg sætter pris på det dejlige og rolige miljø i Okinawa," påpeger prof. Ekert. Mens det nu er en kendsgerning, at objektiv tilfældighed spiller en rolle i kvantemekanikken, tackler Prof. Ekerts forskning her på OIST et måske forholdsvis grundlæggende spørgsmål om vores univers' natur:"Jeg er interesseret i, hvorfor ting er tilfældige," siger han.

Leveret af Okinawa Institute of Science and Technology