Splecione fotony strzegą transferu pieniędzy

W czwartek odbył się pierwszy transfer pieniędzy pomiędzy dwoma austriackimi instytucjami – magistratem Wiednia i bankiem Austria Creditanstalt – nad bezpieczeństwem którego czuwały splecione fotony. Te unikalne stany kwantowe światła pozwalają stworzyć kod komunikacyjny, niemożliwy do złamania.

Na rynku istnieją już komercyjne rozwiązania wykorzystujące do szyfrowania fizykę kwantową, jednak po raz pierwszy w tym celu wykorzystano zjawisko splatania fotonów. System kryptograficzny stworzył Anton Zeilinger wraz z zespołem kolegów z Uniwersytetu Wiedeńskiego oraz pracownikami austriackiej firmy ARC Seibersdorf Research.

Pary splecionych fotonów były generowane światłem lasera, który przechodząc przez kryształ dzielił pojedynczy foton na dwa. Jeden z fotonów wygenerowanej pary był następnie przesyłany z banku do magistratu przez światłowód. Po dotarciu do miejsca przeznaczenia obserwowana była polaryzacja przesłanego fotonu, która gwarantowała zarówno nadawcy jak i odbiorcy identyczność przesłanych danych (zero lub jedynkę). Mechanizm ten pozwala więc stworzyć klucz szyfrujący, który może być wykorzystany do zabezpieczenia transakcji finansowych.

Zgodnie z teorią Alberta Einsteina, nic w przyrodzie nie może poruszać się z prędkością większą niż prędkość światła. Nie może się też szybciej poruszać informacja. Tymczasem pary splątanych obiektów jakby porozumiewają się ze sobą na odległość, nic sobie przy tym nie robiąc z nałożonego ograniczenia prędkości. Na razie, eksperymentalnie, wykazano, że owo splątanie istnieje m.in. dla kwantów światła (fotonów), a nawet dla całych atomów i ich zbiorów.

W dużym uproszczeniu, w przypadku par splątanych fotonów, zmiana stanu (spinu) jednego z nich powoduje jednoczesną zmianę stanu drugiego. Dzieje się to natychmiast, przy czym odległość między nimi nie ma najmniejszego znaczenia. Nie bez powodu Einstein, który zresztą nie bardzo potrafił wyjaśnić istotę splątania, nazwał to zjawisko „upiornym działaniem na odległość”.

Również teraz fizycy nie za dobrze radzą sobie z wyjaśnieniem, skąd się zjawisko splątania bierze. Ponieważ jego istnienie zostało wielokrotnie potwierdzone eksperymentalnie, naukowcom nie pozostało nic innego, jak znalezienie sposobu, aby „upiorne działanie na odległość” zaprząc do pracy.

Splecenie cząsteczek kwantowych zapewnia bezpieczeństwo transmisji, gdyż każda próba przechwycenia fotonów w czasie przysłania skutkuje natychmiast efektami, które widoczne są dla obydwu stron uczestniczących w komunikacji. Natomiast losowy dobór klucza szyfrującego sprawia, że zachowując zasadę stosowania za każdym razem innego klucza szyfrującego, także transmisja przez całkowicie niezabezpieczony kanał gwarantuje zachowanie poufności przesyłanych danych.

Taki system przesyłania szyfrowanych danych jest całkowicie bezpieczny. W odróżnieniu od kwantowych metod kryptograficznych, systemy szyfrujące oparte na złożoności obliczeniowej problemów matematycznych mogą zostać skompromitowane, a ich pewność polega na założeniu, że koszt przetworzenia ogromnej ilości danych jest nieporównywalnie większy niż ewentualne korzyści wypływające ze złamania szyfru. „Ale jeżeli mówimy o naprawdę ogromnych sumach, to ludzie mogą być zainteresowani złamaniem szyfr” – przekonuje do swojego rozwiązania Zeilinger. Dodał on także, że jego wynalazek wcale nie musi być droższy w implementacji, niż obecnie stosowane systemy szyfrujące.

Czwartkowa transmisja 3000 Euro odbyła się na dystansie 500 metrów, ale jak powiedział Zeilinger, w chwili obecnej możliwy powinien być bezpieczny przesył danych na odległość do 20 km. Transfer danych na większe odległości jest o tyle kłopotliwy, że trudności wywołuje transmisja pojedynczego fotonu na dalekie dystanse.

Na kryptografii zastosowania efektu splątania się jednak nie kończą. Naukowcy chcą stworzyć rodzaj „komputera”, który wykorzystywałby zjawisko splątania obiektów do prowadzenia obliczeń. Taki komputer kwantowy miałby wykonywać wiele operacji jednocześnie, co czyniłoby go superszybkim. Pierwsze próby splatania elektronów, które miałyby być wykorzystywane jako bity informacji (a właściwie qubity – bity kwantowe), zostały już przeprowadzone. Fizycy zgodnie jednak przyznają, że do skonstruowanie kwantowego komputera jeszcze nam daleko.

Najdalej idą jednak naukowcy, którzy w efekcie splątania widzą możliwość dla… teleportacji. Powie ktoś – jest duża różnica między sprawdzaniem stanu fotonów czy elektronów, a przenoszeniem sporych obiektów na odległość. Nie jest ona jednak taka duża, jakby się na pierwszy rzut oka mogło wydawać. Dowiódł tego eksperyment przeprowadzony w 2001 roku przez duńskich naukowców z Uniwersytetu Aarhus. Splątali oni nie pojedyncze fotony, ale dwie chmury atomów cezu, liczące miliardy cząsteczek każda. Naukowcy nie wiązali ze sobą cech pojedynczych atomów, lecz splątali wypadkową stanu atomów w jednej chmurze z drugą. Splątanie trwało ułamek sekundy, jednak dowiodło, że takie powiązanie dwóch złożonych obiektów jest możliwe. Sam Anton Zweilinger również pracuje nad eksperymentem prowadzącym do teleportacji stanów materii. Jest przekonany, że w niedługiej przyszłości uda się splątać bardziej złożone cząsteczki – np. sfery złożone z 60 atomów węgla.

Źródło informacji: New Scientist oraz Rzeczpospolita