Boli to kvantové telekomunikácie
V polovici augusta 2016 vyniesla čínska raketa na obežnú dráhu veľmi špeciálny satelit, na ktorom budú prebiehať kvantové telekomunikačné experimenty.
Aj keď satelit postavila a vypustila Čína, štúdie o kvantovej telekomunikácii sú spoluprácou čínskych a rakúskych vedcov: je prvý satelit tohto typu a ak sa experimenty ukážu ako životaschopné, úplne zmenia spôsob obehu dát medzi bankami, medzi rôznymi vojenskými veliteľskými centrami alebo dokonca medzi našim smartfónom a poštovým serverom.
Princípy kvantovej mechaniky, ktoré sú základom teórie kvantovej komunikácie, zaručujú, že budúce kvantové telekomunikácie sú bezpečné a nebudú zachytené (hackermi alebo zvedavými vládami), pretože akýkoľvek takýto pokus správu zničí. Ďalej uvidíme, prečo je to možné len v kontexte kvantových telekomunikácií.
KVANTOVÉ POČÍTAČE
Schrödingerova superpozícia stavov a kat
Nemecký fyzik Erwin Schrödinger, jeden z otcov kvantovej mechaniky, si na vysvetlenie pojmu superpozícia štátov predstavil začiatkom minulého storočia nasledujúci (mentálny) experiment.
Mačka, zamknutá v oceľovej skrinke bez okien, s dostatočnými zásobami vody a vzduchu. Vo vnútri krabice máme veľmi silný jed, uzavretý v sklenenej ampulke, ale aj kladivo, pripravené na rozbitie ampulky, spojené s rádioaktívnym zdrojom s veľmi slabou aktivitou. Ak dôjde k uvoľneniu častice, kladivo rozbije ampulku a jed mačku zabije. Ak nie, mačka je v bezpečí. Rádioaktívny zdroj sa tu používa iba ako generátor náhodných čísel, akási ruská ruleta, nevieme, kedy a či kladivo rozbije liekovku.
Pri pohľade na celý systém zvonku nikto nedokáže zistiť, či je mačka nažive alebo nie, pretože nikto nevie, kedy sa aktivuje kladivo, ktoré rozbije ampulku (ako som už povedal, je náhodné, môže sa v danom časovom období aktivovať alebo nie).
Preto možno systém označiť ako funkciu, ktorá obsahuje superpozíciu stavov, v ktorých je mačka živá aj mŕtva. Otvorenie políčka nám prezradí, v ktorom z dvoch stavov sa mačka nachádza, a zodpovedá zníženiu vlnovej funkcie na jednu z dvoch možných hodnôt.
V poslednej dobe čoraz viac počúvame rozhovory o kvantových počítačoch (prečítajte si rozhovor s rumunským špecialistom na túto tému) a články sú vždy veľmi mätúce a ťažko sledovateľné. Niet sa čomu čudovať, toto pole nie je vôbec jednoduché, ani to nie je kvantová mechanika, teória umiestnená niekde mimo našej každodennej intuície a vnímania.
Všetko, čo si zatiaľ musíme pamätať, je to, že máme do činenia s posunom paradigmy: ak údaje v klasickom počítači znamenajú zatiaľ jeden z dvoch možných stavov (0 alebo 1), v prípade kvantového počítača údaje, ktoré manipuluje ich do superpozície stavov a ich manipulácia zahŕňa kvantové koncepty, ako je napríklad zapletenie častíc, čo je obzvlášť zvláštna vlastnosť vesmíru v kvantovej mierke.
Takže ak v klasickom prípade počítače pracujú s bitmi (0 alebo 1), kvantové počítače pracujú s takzvanými qubitmi, ktoré nemajú jediný stav, ale superpozíciu stavov. Od tejto chvíle sa veci rýchlo komplikujú a vysvetlenie fungovania kvantového počítača si vyžaduje samostatný článok, dnes je toto pole mimoriadne dynamické.
Ale kvantová komunikácia nevyžaduje kvantové počítače, hovoríme o dvoch rôznych veciach.
KVANTOVÉ TELEKOMUNIKÁCIE
Musíme rozlišovať medzi kvantovými počítačmi, ktoré sú výpočtovými strojmi fungujúcimi podľa niektorých pravidiel kvantovej mechaniky, a kvantovými telekomunikáciami, ktoré nepotrebujú kvantové počítače, aby boli použiteľné.
Ak sa preukážu ako veľmi životaschopné, kvantová telekomunikácia sa integruje do existujúcich systémov a poskytne bezpečnejšiu alternatívu pre prenos citlivých údajov. Na druhej strane, kvantové počítače v blízkej budúcnosti povedú k dramatickému zvýšeniu výpočtového výkonu, čo môže rýchlo oslabiť súčasné dnes používané kryptografické metódy.
S cieľom nahradiť zraniteľné miesta súčasného šifrovacieho systému široko používaného na internete pomocou zákonov kvantovej fyziky možno vyvinúť neomylný systém, ktorý neumožňuje odpočúvanie prenášaných údajov. A nejde o zvýšenú obtiažnosť prelomiť kľúč používaný na šifrovanie, ide o fyzickú nemožnosť dešifrovať údaje, ktorá vyplýva z intímnych prírodných zákonov vyjadrených rovnicami kvantovej mechaniky.
Verejný a súkromný kľúč
Online komunikácia v súčasnosti využíva asymetrický šifrovací systém. Napríklad obidve správy, ktoré cirkulujú medzi používateľmi aplikácie WhatsApp, a spojenie medzi prehliadačom a poštovým serverom používajú tento typ šifrovania. Na šifrovanie správy pomocou asymetrického šifrovania sa používajú dva kľúče, ktoré navzájom matematicky súvisia (tj. Jeden algoritmus generuje oba).
Zoberme si príklad správ vymieňaných prostredníctvom aplikácie WhatsApp: algoritmus vygeneruje na telefóne každého používateľa tento pár kľúčov: súkromný (tajný), ktorý neopustí telefón, a verejný, ktorý sa odošle na centrálny server, na ktorý k nemu majú prístup ktokoľvek. Keď Ion chce poslať Márii zašifrovanú správu, Ion si vyberie Máriu zo svojho zoznamu kontaktov. Aplikácia WhatsApp automaticky šifruje správu napísanú Ionom pomocou Mariainho verejného kľúča (k dispozícii každému, ako som už povedal, takže si ho aplikácia stiahne zo servera). Správa tak odchádza šifrovaná z Ionovho telefónu a v tejto podobe bude prechádzať cez internet, až do Márie.
Ak Mihai správu nejakým spôsobom zachytí, je šifrovaná a nedá sa priamo prečítať. Jediným spôsobom, ako dešifrovať, je použiť Máriin súkromný kľúč, ktorý má v telefóne. Správu je teda možné dešifrovať, až keď (a ak) dorazí k Márii. Odpovedá a všetko sa deje rovnako, ale opačným smerom. Mihai, ktorý zachytí zašifrovanú správu, má dve možnosti, ako si ju prečítať. Alebo použije dostatočne výkonný počítač na to, aby prelomil šifrovanie, ale môže to trvať niekoľko rokov. Nie je to veľmi praktické.
Druhou možnosťou by bolo zmocniť sa Máriinho súkromného kľúča, čo sa môže znova ukázať ako ťažké, ak nemá priamy prístup k Máriinmu telefónu. Je ale zrejmé, že asymetrický šifrovací systém má dve chyby zabezpečenia: prenosová správa, aj keď je šifrovaná, sa dá teoreticky prelomiť, ak má útočník dostatok zdrojov (výpočtový výkon a čas), alebo by sa útočníkovi mohlo dostať do rúk súkromné kľúče.
Ale skôr ako uvidíme, ako sa to môže stať, pozrime sa, čo znamená distribučný systém kvantových kľúčov. Súčasný široko používaný šifrovací systém používa spárovaný kľúčový systém, verejný aj súkromný, ale budúci kvantový telekomunikačný systém to zjednoduší: šifrovanie bude prebiehať pomocou jediného kľúča, ktorý bude zdieľaný medzi používateľmi.
Je to bezpečné? Prekvapivo, ale áno, je to vďaka kvantovej fyzike. Kľúč je generovaný kvantovým procesom, ktorý generuje náhodne polarizované fotóny a nie je ničím iným ako sériou spôsobov ich polarizácie. Skutočne náhodná séria, ktorú je možné získať iba kvantovým procesom, je dôležitým aspektom pre generovanie jedinečného kľúča zakaždým.
Kvantové zapletenie
Tak ako majú makroskopické telá rôzne merateľné vlastnosti, ako napríklad hmotnosť, impulz, tvar alebo farbu, majú aj kvantové entity, ako napríklad častice, svoj vlastný súbor fyzikálnych vlastností, ktoré niekedy dávajú zmysel v makroskopickom svete, na ktorý sme zvyknutí (hmotnosť, impulz). ), ale inokedy sú špecifické pre kvantový svet (spin, polarizácia) a dajú sa aproximovať iba tým, s čím sa stretávame v dennom meradle (spin je druh kinetického momentu, ale iba do určitej miery).
Teraz si predstavte kvantový systém, ktorý produkuje dve (alebo viac častíc, ale pre zjednodušenie použijeme iba dve častice). Kvantové zapletenie je jav, pri ktorom výsledný systém nemožno opísať nezávisle od základných častíc, ktoré sú navzájom trochu spojené, bez ohľadu na vzdialenosť medzi nimi, a ktoré iba spolu môžu opísať úplný stav výsledného systému.
Ďalším spôsobom, ako vidieť kvantové zapletenie, je to, že meraním parametrov jednej z výsledných častíc môžeme nepriamo nájsť hodnoty parametrov druhej častice, aj keď sú tieto dve častice od seba vzdialené stovky alebo tisíce kilometrov a nekomunikujú medzi sebou.
Takto získané fotóny sú distribuované používateľom (pre zjednodušenie vysvetlenia existujú iba dvaja používatelia). Tu prichádzajú dva aspekty spojené s kvantovým svetom: neklonová veta a kvantové zapletenie. Nebudeme zachádzať do nudných detailov, ale treba povedať, že polarizované fotóny v takomto reťazci nemožno jednoducho kopírovať alebo klonovať.
Ak sa o to pokúsite, zmení sa ich polarizácia. Pretože pokus o meranie vlastností kvantového systému mení jeho parametre. Toto hovorí neklonujúca veta a súvisí s princípom neurčitosti stanoveným Wernherom Heisenbergom. Vzhľadom na to, že máme dvoch používateľov a že každý z nich dostal kópiu kľúča, pomocou kvantového zapletenia sme mohli zistiť, či bol jeden z kľúčov upravený alebo nie.
Ak bol zmenený, znamená to, že sa ho niekto pokúsil zachytiť, považuje sa to za napadnutý a vygeneruje sa nový kľúč. Kľúč, ktorý majú v súčasnosti obaja používatelia a sú si istí, že nebol zachytený, je možné použiť na šifrovanie správ. Nie je to jednoduché? Spôsob, akým sú tieto dva kľúče porovnávané, je pomerne zložitý, ale stále prakticky uskutočniteľný.
Teraz sú nejaké problémy. Boli vykonané experimenty s fotónmi vzájomne prepojenými fenoménom kvantového zapletenia, ale ukázalo sa, že funguje iba na vzdialenosti kratšie ako 100 km. A nemysli si, že kvantová telekomunikácia patrí do budúcnosti, prvý takýto pokus mimo laboratórií sa uskutočnil už v roku 2004, keď sa vo Viedni uskutočnil bankový prevod 3 000 eur pomocou mechanizmov kvantového šifrovania.
V súčasnosti existujú spoločnosti, ktoré predávajú kvantové telekomunikačné systémy na zemi prostredníctvom optických vlákien, ale prebiehajú na relatívne krátkych vzdialenostiach. Ak budú experimenty na satelite úspešné, čoskoro sa stanú široko dostupnými a budú vzdialené tisíce kilometrov.
Spustenie satelitu Mozi
Štart čínskej družice sa uskutočnil 15. augusta 2016 o 20:40 na štartovacej rampe LC43 vesmírneho komplexu Jiuquan. Satelit váži 500 kilogramov a je pomenovaný po čínskom filozofovi, ktorý žil 5 storočí pred naším letopočtom, Mozim (tiež známy ako Mo Di alebo latinsky Micius), ale niekedy tlač na západnej pologuli nazýva satelit Quantum Space Satellite alebo QSS.
Raketa použitá na tento štart, Changzheng 2D, má dva stupne a od prvého letu v roku 1992 absolvovala 29 štartov, všetky úspešne. Tento model sa často používa na umiestňovanie nábojov na heliosynchrónnu obežnú dráhu. Na nízkej obežnej dráhe Zeme môže vystúpiť na 3,5 tony, zatiaľ čo heliosynchrónna obežná dráha unesie maximálne 1,3 tony. Výhodou heliosynchrónnej dráhy je, že satelit prechádza pevným bodom na povrchu Zeme každý deň v presne rovnakom čase, čo je niekedy dôležité pri meteorologických pozorovacích alebo špionážnych misiách.
Raketa je odvodená z Changzheng 4, prvý stupeň (takmer 28 metrov) je s ňou prakticky identický a je poháňaný motorom YF-21C, ktorý spaľuje hydrazín a tetraoxid dusíka. Druhý stupeň, dlhý 10,9 metra, využíva motor YF-24C a má priemer 3,35 metra. Z dôvodu toxického paliva Čína nahradí celú rodinu motorov Changzheng 5, 6 a 7, ktoré sú navrhnuté tak, aby boli účinnejšie a používali menej toxické palivo.
Družicu Mozi vyvinula a vypustila Čínska akadémia vied (CAS). Až donedávna mali v Číne prístup k raketám a povolenie na vypúšťanie satelitov iba armáda a ministerstvo priemyslu, informácií a technológií. Politika sa však nedávno uvoľnila, aby umožnila vedcom priamy prístup do vesmíru. Mozi je teda druhým satelitom, ktorý vypustil CAS po štúdii Dark Matter Particle Explorer (DAMPE), vypustenej v decembri 2015, na štúdium tmavej hmoty.
Čínsky satelit Mozi testuje, či je možné túto vlastnosť využiť na desaťkrát väčšie vzdialenosti. Ak sa to podarí, v blízkej budúcnosti budú niektoré také satelity schopné vytvoriť sieť, ktorá sprístupní také kvantové kľúče používateľom, ktorí majú záujem. Nebude to ľahké, pretože signál narazí na sériu atmosférických turbulencií alebo šumu v pozadí svojej dráhy medzi satelitom a pozemnými prijímacími stanicami, pretože výskum dúfa, že bude schopný použiť satelit ako distribučné relé kvantového kľúča medzi Viedeň a Peking.
Kvantový kľúč vygenerovaný na palube satelitu bude odovzdaný pozemným staniciam vo Viedni a Pekingu, ktoré ho budú môcť použiť na šifrovanie správ, ktoré môžu neskôr vysielať klasickými kanálmi (internet). Kľúč nie je možné zachytiť bez toho, aby bol zničený pri prenose cez satelit, takže šifrovanie je zabezpečené a šifrovaná správa môže bez obáv z dešifrovania obiehať verejne.
Tu sa experimenty uskutočňované na palube satelitu nekončia. Mozi je prvý satelit schopný teleportovať fotóny. Áno, kvantová teleportácia, na rekordnú vzdialenosť 1 000 kilometrov. A to sa zhodou okolností stáva aj v roku, v ktorom Star Trek oslavuje polstoročie od vysielania prvej epizódy.
BUDÚCNOSŤ ŠIFROVANÝCH KOMUNIKÁCIÍ?
Som presvedčený, že v nasledujúcich rokoch budeme svedkami revolúcie v šifrovaní údajov. S nárastom dostupného výpočtového výkonu to bude nevyhnutnosť, aby sa zachovalo dôverné obrovské množstvo dát, ktoré kolujú po internete každý deň. USA, Európa a Čína investujú obrovské prostriedky do kvantovej komunikácie a prvými príjemcami budú pravdepodobne členovia armády a financií a neskôr budú k dispozícii masám používateľov.