Nytten av kvantecomputere er et veldig diskutert tema, fra de som tror det er kvakksalveri til andre som sier at det er fremtiden for databehandling. Uansett strømmer forskere milliarder av forskningsdollar for å bevise kommersiell bruk, for eksempel et hack-bevis kvanteinternett. ⁃ TN Editor
Than hurtigtog fra Paris til Rotterdam var en time forsinket fra Gare du Nord. Da det omsider avsatte meg i den nederlandske byen, oppdaget jeg at det videre toget til Delft hadde blitt suspendert på grunn av vedlikeholdsarbeid på sporene. Det tok to sirkulære bussturer og en drosjetur før jeg endelig kom meg til min destinasjon.
Gitt at jeg var der for å lære om fremtiden for kommunikasjon, virket dette passende. Turen min var en påminnelse om at mens frakt fra sted til sted fremdeles er full av uforutsette feil, flyter gargantuanske datamengder jevnt og raskt hele dagen, hver dag gjennom fiberoptiske kabler som forbinder byer, land og hele kontinenter.
Og likevel har disse datanettverkene en svakhet: de kan bli hacket. Blant de hemmelige dokumentene som lekket ut for noen år siden av det amerikanske sikkerhetsbyråns entreprenør Edward Snowden, var de som viste at vestlige etterretningsbyråer hadde klart å trykk på kommunikasjonskabler og spionere på de enorme mengder trafikk som strømmer gjennom dem.
Forskningsinstituttet jeg besøkte i Delft, QuTech, jobber med et system som kan gjøre denne typen overvåking umulig. Tanken er å utnytte kvantemekanikken for å lage et feilfritt sikkert kommunikasjonsnettverk mellom Delft og tre andre byer i Nederland mot slutten av 2020 (se kart under for de planlagte koblingene).
QuTech-forskerne, ledet av Stephanie Wehner og Ronald Hanson, står fremdeles overfor en rekke skremmende tekniske utfordringer. Men hvis de lykkes, kan prosjektet deres katalysere et fremtidig kvanteinternett - på omtrent samme måte som Arpanet, som det amerikanske forsvarsdepartementet opprettet på slutten av 1960, inspirerte til opprettelsen av internett slik vi kjenner det i dag.
Uendelige qubits
Internett er sårbart for den typen hacking avslørt av Snowden fordi data fremdeles reiser over kabler i form av klassiske biter - en strøm av elektriske eller optiske pulser som representerer 1s og 0s. En hacker som klarer å tappe inn kablene, kan lese og kopiere disse bitene under transport.
Lovene til kvantefysikk tillater derimot en partikkel - for eksempel et atom, et elektron eller (for å overføre langs optiske kabler) et lysfoton - å oppta en kvantetilstand som representerer en kombinasjon av 1 og 0 samtidig. En slik partikkel kalles en kvantebit, eller kvbit. Når du prøver å observere en kvbit, kollapser tilstanden til begge 1 or 0. Dette, forklarer Wehner, betyr at hvis en hacker tapper inn i en strøm av qubits, vil inntrengerne både ødelegge kvanteinformasjonen i den strømmen og etterlate et tydelig signal om at den har blitt tuklet med.
På grunn av denne egenskapen har qubits blitt brukt i ganske lang tid for å generere krypteringsnøkler i en prosess som kalles kvantetastfordeling (QKD). Dette innebærer å sende data i klassisk form over et nettverk, mens nøklene som trengs for å dekryptere dataene overføres separat i en kvantetilstand.
Kina har demonstrert noen imponerende anvendelser av QKD. I fjor brukte den en satellitt kalt Micius til overføre kvantetaster til to bakkestasjoner, den ene i Beijing og den andre i Wien. Tastene ble deretter brukt til å dekryptere klassiske data for en sikker videosamtale mellom de to byene. Ethvert forsøk på å avskjære kommunikasjonen som inneholder nøklene, ville ha ødelagt dem og gjort det umulig for spionene (eller noen andre) å dekryptere videosamtalen. Kina har også bygget et landbasert QKD-kommunikasjonsnettverk fra Beijing til Shanghai som banker og andre selskaper bruker for å overføre sensitive kommersielle data.
Imidlertid har tilnærmingen begrensninger. Fotoner kan tas opp i atmosfæren eller av materialer i kabler, noe som betyr at de typisk kan reise i ikke mer enn noen få titalls kilometer. Beijing-Shanghai-nettverket kommer seg rundt dette ved å ha 32 såkalte "pålitelige noder" på forskjellige punkter langs det - ligner repeatere som forsterker signalet i en vanlig datakabel. Ved disse nodene dekrypteres nøkler til klassisk form og krypteres deretter på nytt i en fersk kvantetilstand for deres reise til neste veipunkt. Men dette betyr at pålitelige noder virkelig ikke bør stole på. En hacker som bryter sikkerheten deres, kan kopiere de klassiske nøklene uoppdaget, og et selskap eller myndighet som kjører noder.
Quantum Teleportation
Wehner, Hanson og deres kolleger i QuTech tar sikte på å overvinne disse begrensningene for å bygge et helt sikkert kvanteinternett.
Tilnærmingen de bruker kalles kvante teleportering. Dette kan høres ut som science fiction, men det er en faktisk metode for overføring av data. Det er avhengig av et fenomen kjent som kvanteforvikling.
Forviklinger betyr å lage et par qubits - fotoner av lys til dette formålet - i en enkelt kvantetilstand, slik at selv om de reiser av i motsatte retninger, beholder de en kvanteforbindelse. Endring av tilstanden til det ene fotonet vil øyeblikkelig endre tilstanden til den andre på en forutsigbar måte, uansett hvor langt fra hverandre de er. Albert Einstein kalte denne "nifs handling på avstand."
Kvanteteleportering krever da først å sende et par sammenfiltrede fotoner til to personer - kalt dem Alice og Bob. Alice mottar sitt sammenfiltrede foton og lar det samhandle med en "minnekvbit" som inneholder data hun vil overføre til Bob. Denne interaksjonen endrer tilstanden til fotonet hennes, og endrer dermed tilstanden til Bobs foton også. I virkeligheten "teleporterer" dataene i Alice's minne qubit fra Alice's foton til Bob's. Illustrasjonen nedenfor beskriver prosessen i litt mer detalj.
En annen måte å tenke på det: det sammenfiltrede paret av fotoner er som de to endene av en virtuell engangskabel. Hver gang Alice og Bob vil sende data, mottar de først en ny kabel, og fordi hver av dem har den ene enden, er det bare de som kan bruke den. Det er det som gjør det sikkert mot avlytting.
wpDiscuz