MIT: Europa care se străduiește să creeze un internet cuantic nefericit

Ttrenul rapid de la Paris la Rotterdam a întârziat cu o oră să plece de la Gare du Nord. Când m-a depus în sfârșit în orașul olandez, am descoperit că trenul continuu către Delft fusese suspendat din cauza lucrărilor de întreținere a căilor. A fost nevoie de două călătorii cu autobuzul circuit și o călătorie cu taxiul înainte de a ajunge în sfârșit la destinație.

Având în vedere că am fost acolo pentru a afla despre viitorul comunicațiilor, acest lucru mi s-a părut potrivit. Călătoria mea a fost un memento care, în timp ce transportați oameni dintr-un loc în altul, este încă plin de sclipiri neprevăzute, cantități importante de date curg lin și rapid toată ziua, în fiecare zi prin cablurile cu fibră optică care leagă orașele, țările și continentele întregi.

Și totuși, aceste rețele de date au o slăbiciune: pot fi hackate. Printre documentele secrete scurse în urmă cu câțiva ani de contractorul Agenției de Securitate Națională a SUA, Edward Snowden, erau cele care arătau că agențiile de informații occidentale au reușit să atingeți cablurile de comunicare și spionează cantitățile mari de trafic care circulă prin ele.

Institutul de cercetare pe care l-am vizitat în Delft, QuTech, lucrează la un sistem care ar putea face acest tip de supraveghere imposibilă. Ideea este să valorificați mecanica cuantică pentru a crea o rețea de comunicații sigură perfect între Delft și alte trei orașe din Olanda până la sfârșitul 2020 (a se vedea harta de mai jos pentru legăturile planificate).

Cercetătorii QuTech, conduși de Stephanie Wehner și Ronald Hanson, încă se confruntă cu o serie de provocări tehnice descurajante. Dar dacă reușesc, proiectul lor ar putea cataliza un viitor internet cuantic - în același mod în care Arpanet, pe care Departamentul de Apărare al SUA l-a creat la sfârșitul 1960-urilor, a inspirat crearea internetului așa cum îl știm astăzi.

Debituri neimputabile

Internetul este vulnerabil la tipul de hacking dezvăluit de Snowden, deoarece datele călătoresc în continuare prin cabluri sub formă de biți clasici - un flux de impulsuri electrice sau optice reprezentând 1e și 0s. Un hacker care reușește să acționeze în cabluri poate citi și copia acele biți în tranzit.

Legile fizicii cuantice, pe de altă parte, permit unei particule - de exemplu, un atom, un electron sau (pentru a transmite de-a lungul cablurilor optice) un foton de lumină - să ocupe o stare cuantică care reprezintă o combinație de 1 și 0 simultan. O astfel de particulă se numește bit cuantic, sau qubit. Când încercați să observați un qubit, starea lui „se prăbușește” la oricare 1 or 0. Acest lucru, explică Wehner, înseamnă că, dacă un hacker intră într-un flux de picături, intrusul distruge informațiile cuantice din acel flux și lasă un semnal clar că a fost modificat.

Datorită acestei proprietăți, qubit-urile au fost folosite de ceva timp pentru a genera chei de criptare într-un proces cunoscut sub numele de distribuție de chei cuantice (QKD). Aceasta implică trimiterea de date în formă clasică printr-o rețea, în timp ce tastele necesare pentru decriptarea datelor sunt transmise separat într-o stare cuantică.

China a demonstrat câteva aplicații impresionante ale QKD. Anul trecut, a folosit un satelit numit Micius pentru transmite chei cuantice la două stații la sol, una la Beijing și cealaltă la Viena. Tastele au fost apoi folosite pentru a decripta datele clasice pentru un apel video sigur între cele două orașe. Orice încercare de interceptare a comunicării care conține cheile le-ar fi distrus, ceea ce a făcut imposibilă spionii (sau oricine altcineva) să decripteze apelul video. China a construit, de asemenea, o rețea de comunicații QKD terestre, de la Beijing la Shanghai, pe care băncile și alte companii le utilizează pentru a transmite date comerciale sensibile.

Cu toate acestea, abordarea are limitări. Fotonii pot fi absorbiți în atmosferă sau de materiale din cabluri, ceea ce înseamnă că de obicei pot călători nu mai mult de câteva zeci de kilometri. Rețeaua Beijing-Shanghai se învârte în acest sens având 32 așa-numitele „noduri de încredere” în diferite puncte de-a lungul acesteia - similar repetentelor care amplifică semnalul într-un cablu de date obișnuit. La aceste noduri, cheile sunt decriptate în formă clasică și apoi criptate într-o stare cuantă proaspătă pentru călătoria lor către următorul punct de cale. Dar asta înseamnă că nodurile de încredere nu ar trebui să aibă încredere. Un hacker care își încalcă securitatea ar putea copia cheile clasice nedetectate, așa cum ar putea o companie sau un guvern care administrează nodurile.

Teleportare cuantică

Wehner, Hanson și colegii lor de la QuTech își propun să depășească aceste limitări pentru a construi un internet cuantic complet securizat.

Abordarea pe care o folosesc se numește teleportare cuantică. Acest lucru poate suna ca science fiction, dar este o metodă reală de transmitere a datelor. Se bazează pe un fenomen cunoscut sub numele de încurcătură cuantică.

Înțelegerea înseamnă crearea unei perechi de butoane - fotoni de lumină, în acest scop - într-o singură stare cuantică, astfel încât, chiar dacă călătoresc în direcții opuse, păstrează o conexiune cuantică. Schimbarea stării unui foton va schimba instantaneu starea celuilalt într-un mod previzibil, indiferent cât de departe sunt. Albert Einstein a numit această „acțiune înspăimântătoare la distanță”.

Apoi, teleportarea cuantică necesită mai întâi trimiterea unei perechi de fotoni încurcați la două persoane - numiți-le Alice și Bob. Alice primește fotonul său încurcat și îi permite să interacționeze cu o „memorie de memorie” care deține date pe care dorește să le transmită lui Bob. Această interacțiune schimbă starea fotonului ei și astfel modifică și starea fotonului lui Bob. De fapt, acest „teleportează” datele din memoria lui Alice de la fotonul lui Alice la cel al lui Bob. Ilustrația de mai jos prezintă procesul cu mai multe detalii.

Un alt mod de a ne gândi la asta: perechea de fotoni încurcați sunt ca cele două capete ale unui cablu de date virtual, o singură dată. De fiecare dată când Alice și Bob doresc să trimită date, primesc mai întâi un cablu nou și, deoarece fiecare dintre ele deține un capăt, numai ei îl pot folosi. Asta o face sigură de la ascultare.

Citește povestea completă aici ...