Właśnie z tego powodu tak duże zainteresowanie wzbudziły dwa powiązane osiągnięcia zespołu z University of Science and Technology of China i Chińskiej Akademii Nauk. Jedno dotyczy tak zwanego kwantowego repeatera, czyli elementu potrzebnego do przesyłania kwantowej informacji na duże odległości. Drugie pokazuje działanie device-independent quantum key distribution, w skrócie DI-QKD, na dystansie 100 kilometrów światłowodu. Badacze zbliżyli się do sieci, w której bezpieczeństwo nie zależy od zaufania do producenta sprzętu, tylko od samych praw fizyki.
O co właściwie chodzi z tym “niehakowalnym” internetem?
Kwantowe rozdzielanie klucza, czyli QKD, nie służy do przesyłania całych wiadomości w magiczny sposób. Ono rozwiązuje inny, fundamentalny problem: jak bezpiecznie uzgodnić tajny klucz szyfrujący między dwiema stronami. To właśnie ten klucz może potem posłużyć do zaszyfrowania zwykłych danych klasycznymi metodami. Mówiąc najprościej, nie chodzi o to, by cały internet nagle stał się kwantowy, ale by najwrażliwsza część komunikacji: wymiana sekretu potrzebnego do szyfrowania, została przeniesiona na grunt, którego podsłuchiwanie zostawia ślad.
W klasycznej kryptografii bezpieczeństwo zwykle opiera się na tym, że pewne obliczenia są dla atakującego zbyt trudne. W kryptografii kwantowej stawka jest ustawiona inaczej. Tutaj przewagą nie jest tylko matematyka, ale to, że sam akt pomiaru delikatnego stanu kwantowego zmienia go w sposób wykrywalny. To trochę jak próba przeczytania listu napisanego na powierzchni z mokrego piasku: samo dotknięcie zostawia ślad, którego nie da się wytłumaczyć przypadkiem.
DI-QKD idzie jeszcze krok dalej. W zwykłym QKD trzeba jednak w pewnym stopniu ufać urządzeniom, że nie mają ukrytych wad, luk albo sprytnych niedoskonałości, które ktoś mógłby wykorzystać. W wersji device-independent takie zaufanie ma być zbędne. Sprzęt jest traktowany trochę jak czarna skrzynka, a gwarancja bezpieczeństwa wynika z naruszenia nierówności Bella, czyli z obserwacji zjawisk, których nie da się wyjaśnić prostym, klasycznym modelem świata. To dlatego DI-QKD bywa nazywane złotym standardem kryptografii kwantowej.
Największy problem nie leży w teorii, tylko w odległości
Na papierze internet kwantowy wygląda pięknie. W praktyce wszystko rozbija się o odległość. Fotony przesyłane światłowodem giną, rozpraszają się i tracą jakość sygnału. W klasycznym internecie tę sprawę załatwiają repeatery, które wzmacniają sygnał po drodze. W świecie kwantowym to nie działa tak prosto, bo nie da się po prostu skopiować nieznanego stanu kwantowego i wysłać go dalej jak zwykłej kopii pliku. To trochę tak, jakby próbować przepisać na nowo pojedynczą kroplę atramentu wiszącą w powietrzu, nie dotykając jej i nie zmieniając jej kształtu.
Właśnie po to potrzebne są kwantowe repeatery. Ich zadanie nie polega na banalnym “wzmocnieniu” sygnału, lecz na zszywaniu krótszych odcinków kwantowego połączenia w dłuższą całość. Kluczowe jest tu splątanie kwantowe oraz tak zwany entanglement swapping, czyli operacja pozwalająca splątać dwa odległe obiekty, choć same nigdy nie weszły ze sobą w bezpośredni kontakt. Dla laika brzmi to jak sztuczka z kategorii fizyka po północy, ale dla badaczy jest to dokładnie ten rodzaj narzędzia, bez którego sieć kwantowa nie wyjdzie poza lokalne eksperymenty.
Drugi niezbędny element to pamięci kwantowe. One przechowują delikatny stan do chwili, gdy uda się zsynchronizować kolejne odcinki połączenia. Bez nich budowa dłuższej sieci przypominałaby próbę ustawienia domina w czasie wichury: nawet jeśli pierwszy fragment stoi, reszta najpewniej przewróci się, zanim dokończymy konstrukcję. Z komunikatów dotyczących badań wynika, że zespół pokazał właśnie skalowalny blok takiego repeatera, demonstrując splątanie pamięć–pamięć między dwoma węzłami.
Najgłośniejszy wynik dotyczy demonstracji DI-QKD z użyciem dwóch pojedynczych atomów rubidu połączonych światłowodami o długości do 100 kilometrów. Według opisu pracy badacze wykorzystali pojedynczo-fotonową interferencję do heraldowania splątania, konwersję częstotliwości kwantowej, by ograniczyć straty w światłowodzie, oraz specjalny schemat emisji oparty na stanach Rydberga, który tłumił odrzut fotonu bez dokładania szumu. To nie są ozdobniki dla specjalistów, ale cała mechanika tego sukcesu: bez takich sztuczek sygnał kwantowy zachowywałby się jak niezwykle cenny ładunek wożony po wybojach bez amortyzacji.
W eksperymencie przygotowano 1,2 miliona heraldowanych par Bella w ciągu 624 godzin, czyli 26 dni. To pokazuje stabilne działanie systemu przez długi czas. W dodatku przy 11 kilometrach uzyskano dodatni, skończony współczynnik bezpiecznego klucza przeciwko ogólnym atakom na poziomie 0,112 bita na zdarzenie, a dla 100 kilometrów potwierdzono wykonalność generowania bezpiecznych kluczy. To już nie wygląda jak pokaz możliwości dla kilku fizyków w laboratorium, lecz jak początek infrastruktury, którą da się wyobrazić w skali metropolii.
Wcześniejsze eksperymenty DI-QKD działały raczej na dystansach rzędu setek metrów, a tutaj mowa o skoku do dziesiątek i setki kilometrów. To tak, jakby ktoś nie poprawił rekordu o kilka centymetrów, lecz zamiast udanego przejazdu hulajnogą przez podwórko nagle pokazał trasę przez całe miasto.
Źródła: Popular Mechanics; Arxiv