Joseph Norman
0 
1861
187
Čína má kvantovou technologii k dokonalému šifrování užitečných signálů na vzdálenosti daleko větší než kdokoli jiný, co kdy dosáhl, překlenující Evropu a Asii, podle ohromujícího nového výzkumného dopisu.
Každou sekundu každý den procházejí domy lidí, nebe nad hlavou a tělo lidských těl informací nebo signálů. Jsou to televizní signály a rádio, stejně jako soukromé telefonní hovory a datové soubory.
Některé z těchto signálů jsou veřejné, ale většina z nich je soukromá - šifrovaná dlouhými řetězci čísel známých (pravděpodobně) pouze odesílatelům a přijímačům. Tyto klíče jsou dostatečně silné, aby udržely tajemství moderní společnosti: koketní textové zprávy, čísla bankovních účtů a hesla pro skryté databáze. Ale jsou křehké. Dostatečně odhodlaný člověk, který má dostatečně výkonný počítač, by je mohl rozbít.
„Historicky byl každý pokrok v kryptografii překonán pokrokem v technologii krakování,“ napsal Jian-Wei Pan, výzkumník na ČVUT v Číně a autor tohoto výzkumného dopisu. "Kvantová distribuce klíčů končí v této bitvě."
Kvantové klíče jsou dlouhé řetězce čísel - klíče pro otevírání šifrovaných souborů stejně jako ty používané v moderních počítačích - ale jsou kódovány ve fyzických stavech kvantových částic. To znamená, že jsou chráněni nejen limity počítačů, ale také zákony fyziky.
Kvantové klíče nelze kopírovat. Mohou šifrovat přenosy mezi jinak klasickými počítači. A nikdo je nemůže ukrást - zákon kvantové mechaniky říká, že jakmile je pozorována subatomická částice, poof, je změněna - aniž by upozornila odesílatele a přijímače na špinavý trik. [Co je to? Vaše otázky z fyziky zodpovězeny]
A nyní, podle nového dopisu, který má být zveřejněn dnes (19. ledna) v časopise Physical Review Letters, mohou kvantové klíče cestovat přes satelit a šifrovat zprávy odesílané mezi městy tisíce kilometrů od sebe.
Vědci kvantově šifrovali obrazy jejich kódováním jako řetězce čísel na základě kvantových stavů fotonů a posílali je na vzdálenost do 4 722 kilometrů (7 600 km) mezi Pekingem a Vídní - rozbíjejí předchozí záznam o 404 km , také v Číně. Poté, 29. září 2017, pořádali 75minutovou videokonferenci mezi vědci ve dvou městech, která byla také šifrována pomocí kvantového klíče. (Tato videokonference byla oznámena dříve, ale veškeré podrobnosti o experimentu byly uvedeny v tomto novém dopise.)
Satelit
Tato distribuce kvantového klíče na velké vzdálenosti je dalším úspěchem čínského satelitu Micius, který byl v roce 2017 zodpovědný za rozbití řady záznamů o kvantové síti. Micius je výkonný fotonový relé a detektor. Zahájena na nízké oběžné dráze Země v roce 2016, používá své jemné lasery a detektory k odesílání a přijímání paketů kvantové informace - v podstatě informace o kvantovém stavu fotonu - napříč rozsáhlými úseky prostoru a atmosféry.
„Micius je nejjasnější hvězdou na obloze, když prochází stanicí,“ napsal Pan. „Hvězda je [stejně] zelená jako majákový laser [který Micius používá k cílení fotonů na zem]. Pokud je ve vzduchu nějaký prach, uvidíte [také] červenou čáru světla směřující na satelit. Žádný zvuk pochází z vesmíru. Možná jsou některé vzneseny pohybem pozemní stanice. "
Téměř kdykoli Micius udělá cokoli, vyhodí předchozí záznamy z vody. Je tomu tak proto, že předchozí kvantové sítě se spoléhaly na průchod fotonů kolem země pomocí vzduchu mezi budovami nebo kabely z optických vláken. A existují omezení pro dohled na zemi nebo to, jak daleko kabel z optických vláken přenese foton, aniž by ho ztratil.
V červnu 2017 vědci Micius oznámili, že poslali dva „zapletené“ fotony na pozemní stanice vzdálené 745 mil (1200 km). (Když se pár fotonů zamotá, vzájemně se ovlivňují, i když jsou od sebe vzdáleny velké vzdálenosti.) O měsíc později v červenci oznámili, že teleportovali z Tibetu na oběžnou dráhu balík kvantových informací 1 400 km (1400 km), což znamená, že kvantový stav částice byl vyzařován přímo z částice na zemi do jejího dvojče v prostoru.
Oba tyto úspěchy byly významnými kroky na cestě k sítím šifrovaným kvantovým klíčem v reálném světě.
Nový dopis oznamuje, že teorie byla uvedena do praxe.
Micius nejprve zašifroval dvě fotografie, malý obrázek samotného satelitu Micius, poté fotografii časného kvantového fyzika Erwina Schrödingera. Pak ten dlouhý videohovor zašifroval. V rámci takové vzdálenosti nebylo nikdy dosaženo podobného aktu kvantové distribuce klíčů.
Již, Pan řekl, Micius je připraven k zašifrování důležitějších informací.
Jak funguje kvantový klíč?
Kvantová distribuce klíčů je v podstatě tvořivou aplikací tzv. Heisenbergova principu neurčitosti, jednoho ze základních principů kvantové mechaniky. Jak již bylo dříve oznámeno, princip nejistoty uvádí, že je nemožné plně poznat kvantový stav částice - a zásadně to, že při pozorování části tohoto stavu detektor navždy vymaže další relevantní informace, které částice obsahuje.
Tento princip se ukázal být velmi užitečným pro kódování informací. Jak belgický kryptograf Gilles Van Assche napsal ve své knize z roku 2006 „Kvantová kryptografie a destilace s tajným klíčem“, odesílatel a příjemce mohou používat kvantové stavy částic k vytváření řetězců čísel. Počítač pak může tyto řetězce použít k zašifrování některých informací, jako je video nebo text, který poté odešle klasickým přenosem, jako je připojení k internetu, které používáte ke čtení tohoto článku..
Ale neposílá šifrovací klíč přes toto relé. Místo toho posílá tyto částice přes samostatnou kvantovou síť, napsal Van Assche.
V případě Miciuse to znamená zasílání fotonů, jeden po druhém, atmosférou. Přijímač pak může přečíst kvantové stavy těchto fotonů, aby určil kvantový klíč, a použít tento klíč k dešifrování klasické zprávy. [Album: Nejkrásnější rovnice světa]
Pokud by se však někdo jiný pokusil zachytit tuto zprávu, nechal by výpovědné znaky - chybějící pakety klíče, které by se nikdy nedostaly odesílateli.
Žádná síť samozřejmě není dokonalá, zejména ne síť založená na informacích o fotografování pro jednotlivé fotografie na míle daleko od prostoru. Jak vědci společnosti Micius psali, sítě obvykle ztratily za jasného dne 1 nebo 2 procenta svého klíče. Ale to je dobře v tom, co mohou Micius a základní stanice spolupracovat na editaci mimo klíč pomocí nějaké fantastické matematiky. I kdyby útočník zachytil a zničil mnohem větší část přenosu, cokoli, co nezachytí, bude stále čisté - kratší, ale dokonale bezpečné, aby zašifrovalo přenosy do špetky. [Jak funguje kvantové zapletení (Infographic)]
Spojení mezi Miciem a Zemí však ještě není zcela bezpečné. Jak napsal tým čínských a rakouských autorů, vadou v návrhu sítě je samotný satelit. Právě teď přijímají základnové stanice v každém propojeném městě od satelitu různé kvantové klíče, které se společně násobí a poté rozdělí. Tento systém funguje dobře, pokud komunikátoři věří, že žádný tajný oddíl neblahých astronautů nepronikl do samotného Miciuse a přečetl kvantový klíč u zdroje. Dalším krokem k opravdu dokonalé bezpečnosti, jak napsali, je distribuce kvantových klíčů ze satelitů prostřednictvím zamotaný fotony - klíče, které by satelity vyráběly a distribuovaly, ale nikdy samy nedokáží číst.
Časem vědci napsali, že plánují vypustit více kvantových satelitů na vyšší orbity - satelity, které budou komunikovat mezi sebou a s vědci na Zemi na stále složitějších webech.
Tato pomalu se rozšiřující, stále praktičtější kvantová síť bude nejprve vybudována pro Čínu a Evropu, psali, „a poté v celosvětovém měřítku“.