Thomas Dalton
0 
3660
843
Volgens een verbluffende nieuwe onderzoeksbrief heeft China de kwantumtechnologie om nuttige signalen perfect te coderen over afstanden die veel groter zijn dan ooit tevoren, in Europa en Azië..
Stukjes informatie, of signalen, gaan elke seconde van de dag door de huizen van mensen, de lucht boven ons en het vlees van menselijke lichamen. Het zijn televisiesignalen en radio, maar ook privé-telefoongesprekken en gegevensbestanden.
Sommige van deze signalen zijn openbaar, maar de meeste zijn privé - versleuteld met lange reeksen nummers die (vermoedelijk) alleen bekend zijn bij de afzenders en ontvangers. Die sleutels zijn krachtig genoeg om de geheimen van de moderne samenleving te bewaren: flirterige sms-berichten, bankrekeningnummers en de wachtwoorden voor geheime databases. Maar ze zijn broos. Een voldoende vastberaden persoon die een voldoende krachtige computer hanteert, zou ze kunnen breken.
"Historisch gezien is elke vooruitgang in cryptografie verslagen door vooruitgang in kraaktechnologie", schreef Jian-Wei Pan, een onderzoeker aan de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China en auteur van deze onderzoeksbrief, in een e-mail. "De distributie van kwantumsleutels maakt een einde aan deze strijd."
Kwantumsleutels zijn lange reeksen getallen - sleutels voor het openen van versleutelde bestanden, net zoals die worden gebruikt in moderne computers - maar ze zijn gecodeerd in de fysieke toestand van kwantumdeeltjes. Dat betekent dat ze niet alleen worden beschermd door de beperkingen van computers, maar ook door de wetten van de natuurkunde.
Kwantumsleutels kunnen niet worden gekopieerd. Ze kunnen transmissies tussen anders klassieke computers coderen. En niemand kan ze stelen - een wet van de kwantummechanica stelt dat als een subatomair deeltje eenmaal wordt waargenomen, poef, het wordt veranderd - zonder de zender en ontvanger op de vuile truc te wijzen. [Wat is dat? Uw vragen over natuurkunde beantwoord]
En nu, volgens een nieuwe brief die vandaag (19 januari) in het tijdschrift Physical Review Letters moet worden gepubliceerd, kunnen kwantumsleutels via satelliet reizen en berichten versleutelen die tussen steden duizenden kilometers van elkaar verwijderd zijn..
De onderzoekers kwantum-versleutelde afbeeldingen door ze te coderen als reeksen van getallen op basis van de kwantumtoestanden van fotonen en stuurden ze over afstanden tot 4.722 mijl (7.600 kilometer) tussen Beijing en Wenen - waardoor het vorige record van 251 mijl (404 km) werd verbroken. , speelt zich ook af in China. Toen hielden ze voor de goede orde op 29 september 2017 een videoconferentie van 75 minuten tussen onderzoekers in de twee steden, eveneens versleuteld via een kwantumsleutel. (Deze videoconferentie was eerder aangekondigd, maar de volledige details van het experiment zijn in deze nieuwe brief vermeld.)
De satelliet
Deze kwantumsleuteldistributie over lange afstanden is alweer een prestatie van de Chinese satelliet Micius, die in 2017 verantwoordelijk was voor het verbreken van een aantal kwantumnetwerkrecords. Micius is een krachtig fotonrelais en detector. Gelanceerd in een lage baan om de aarde in 2016, gebruikt het zijn fijne lasers en detectoren om pakketten kwantuminformatie te verzenden en te ontvangen - in feite informatie over de kwantumtoestand van een foton - over uitgestrekte gebieden van ruimte en atmosfeer..
"Micius is de helderste ster aan de hemel als hij over het station gaat", schreef Pan. "De ster is [zo] groen als de bakenlaser [die Micius gebruikt om fotonen op de grond te richten]. Als er wat stof in de lucht is, zie je [ook] een rode lichtlijn die naar de satelliet wijst. Geen geluid komt uit de ruimte. Misschien zijn er wat opgewekt door de beweging van het grondstation. "
Zowat elke keer dat Micius iets doet, blaast het eerdere records uit het water. Dat komt omdat eerdere kwantumnetwerken vertrouwden op het doorgeven van fotonen op de grond, met behulp van de lucht tussen gebouwen of glasvezelkabels. En er zijn grenzen aan de zichtlijn op de grond, of hoe ver een glasvezelkabel een foton kan overdragen zonder het te verliezen.
In juni 2017 kondigden Micius-onderzoekers aan dat ze twee ‘verstrengelde’ fotonen naar grondstations hadden gestuurd die 1.200 kilometer uit elkaar lagen. (Wanneer een paar fotonen verstrengeld raakt, beïnvloeden ze elkaar zelfs als ze over grote afstanden worden gescheiden.) Een maand later, in juli, kondigden ze aan dat ze een pakket met kwantuminformatie 870 mijl (1400 km) van Tibet in een baan om de aarde hadden geteleporteerd, wat betekent dat de kwantumtoestand van een deeltje rechtstreeks van een deeltje op de grond naar zijn tweeling in de ruimte was gestraald.
Beide prestaties waren belangrijke stappen op weg naar real-world met kwantumsleutel versleutelde netwerken.
De nieuwe brief kondigt aan dat de theorie in praktijk is gebracht.
Micius versleutelde eerst twee foto's, een kleine afbeelding van de Micius-satelliet zelf, en vervolgens een foto van de vroege kwantumfysicus Erwin Schrödinger. Vervolgens versleutelde het dat lange videogesprek. Over dat soort afstand is nog nooit een soortgelijke handeling van kwantumsleutelverdeling bereikt.
Pan zei al dat Micius klaar is om te gebruiken om meer belangrijke informatie te versleutelen.
Hoe werkt een kwantumsleutel??
Kwantumsleutelverdeling is in wezen een creatieve toepassing van het zogenaamde Heisenbergs onzekerheidsprincipe, een van de fundamentele principes van de kwantummechanica. Zoals eerder gemeld, stelt het onzekerheidsprincipe dat het onmogelijk is om de kwantumtoestand van een deeltje volledig te kennen - en, cruciaal, dat door een deel van die toestand te observeren, een detector voor altijd de andere relevante informatie die het deeltje bevat uitwist..
Dat principe blijkt erg handig bij het coderen van informatie. Zoals de Belgische cryptograaf Gilles Van Assche schreef in zijn boek "Quantum Cryptography and Secret-Key Distillation" uit 2006, kunnen een zender en ontvanger de kwantumtoestanden van deeltjes gebruiken om reeksen getallen te genereren. Een computer kan die strings vervolgens gebruiken om een deel van de informatie te versleutelen, zoals een video of een tekst, die vervolgens wordt verzonden via een klassiek relais, zoals de internetverbinding die u gebruikt om dit artikel te lezen..
Maar het verzendt de coderingssleutel niet over dat relais. In plaats daarvan stuurt het die deeltjes over een apart kwantumnetwerk, schreef Van Assche.
In het geval van Micius betekent dat dat fotonen één voor één door de atmosfeer worden gestuurd. De ontvanger kan vervolgens de kwantumtoestanden van die fotonen lezen om de kwantumsleutel te bepalen en die sleutel gebruiken om het klassieke bericht te ontsleutelen. [Album: 's werelds mooiste vergelijkingen]
Als iemand anders dat bericht probeerde te onderscheppen, zouden ze veelbetekenende tekens achterlaten - ontbrekende pakketten van de sleutel die de afzender nooit hebben bereikt.
Natuurlijk is geen enkel netwerk perfect, zeker niet een netwerk dat gebaseerd is op opname-informatie voor individuele foto's in kilometers ruimte. Zoals de Micius-onderzoekers schreven, verliezen de netwerken doorgaans 1 of 2 procent van hun sleutel op een heldere dag. Maar dat is ruim binnen wat Micius en het basisstation kunnen samenwerken om uit de sleutel te bewerken, met behulp van wat mooie wiskunde. Zelfs als een aanvaller een veel groter deel van de uitzending onderschepte en vernielde, zou alles wat ze niet hebben opgevangen nog steeds schoon zijn - korter, maar perfect veilig genoeg om uitzendingen in een mum van tijd te versleutelen. [Hoe Quantum Entanglement werkt (Infographic)]
De verbinding tussen Micius en de aarde is echter nog niet helemaal veilig. Zoals het team van Chinese en Oostenrijkse auteurs schreef, is de fout in het netwerkontwerp de satelliet zelf. Op dit moment ontvangen basisstations in elke verbonden stad verschillende kwantumsleutels van de satelliet, die met elkaar worden vermenigvuldigd en vervolgens worden ontward. Dat systeem werkt prima, zolang de communicatoren erop vertrouwen dat geen enkele geheime ploeg snode astronauten in Micius zelf heeft ingebroken om de kwantumsleutel bij de bron te lezen. De volgende stap naar echt perfecte beveiliging, zo schreven ze, is het verspreiden van kwantumsleutels van satellieten via verstrengeld fotonen - sleutels die de satellieten zouden maken en distribueren, maar nooit zelf kunnen lezen.
De onderzoekers schreven dat ze na verloop van tijd meer kwantumsatellieten in hogere banen willen lanceren - satellieten die met elkaar en met onderzoekers op aarde zullen communiceren in steeds complexere webben..
Dit zich langzaam uitbreidende, steeds praktischer kwantumnetwerk zal eerst worden gebouwd voor China en Europa, schreven ze, 'en daarna op wereldschaal'.