Verwirre das Entwirrte

Verwirre das Entwirrte

Ilja Ferapontow
"Popular Mechanics" №2, 2016

Die maximale Länge des Kommunikationskanals, der die Methode der Quantenkryptographie erlaubt, beträgt nur etwas mehr als hundert Kilometer. Wissenschaftler des russischen Quantenzentrums haben einen Weg entwickelt, diese Distanz deutlich zu erhöhen.

Stellen Sie sich vor, dass Sie, bevor Sie eine E-Mail an einen Freund senden, eine Karte bekommen, die Entfernung zu der Stadt messen müssen, in der er lebt, und wenn sich herausstellt, dass diese Entfernung mehr als 100 km beträgt, nehmen Sie einen Bleistift und Papier mit dem Seufzer. Papier "Brief – E-Mail weiter als 100 km, geht nicht.

Absurde Situation? Aber genau so verhält es sich jetzt mit der Übertragung von Quantendaten über Glasfaserleitungen – die Rekordübertragungsentfernung beträgt hier immer noch nur etwas mehr als hundert Kilometer, und der stabile Betrieb auf normalen, nicht auf Rekordstrecken ist in der Regel auf 40 km begrenzt. Das bedeutet zum Beispiel, dass die Linie der Quantenkommunikation innerhalb Moskaus organisiert werden kann, aber über die Übertragung von Daten nach St. Petersburg gibt es nichts zu denken. Welche Perspektiven bietet die Quantenkryptographie im Bereich der Telekommunikation?

Banknoten und Notizblöcke

Die Geschichte der Quantenkryptographie begann in den späten 1960er Jahren, als ein Student der Columbia University, Stephen Wisner, seinem ehemaligen Kommilitonen Charles Bennet die Idee von Quanten-Banknoten erläuterte, die im Prinzip nicht verfälscht werden kann, da sie von den Naturgesetzen ausgeschlossen ist. Die Idee war, mehrere Quantenobjekte auf jeder Banknote zu platzieren. Dies können zum Beispiel Fallen mit Photonen sein, von denen jede in einem bestimmten Winkel in einer von zwei Basen polarisiert ist – entweder in einem Winkel von 0 und 90 oder 45 und 135 Grad. Die Seriennummer ist auf die Banknote gedruckt, aber die Kombination der Polarisationen und Basen, die der Zahl entspricht (Filter, mit denen die Polarisation verbunden ist oder durch die Polarisation gemessen wird), ist nur der Bank bekannt. Um eine solche Banknote vorzutäuschen, muss der Fälscher die Polarisation jedes Photons messen, aber er weiß nicht, in welcher Basis jede von ihnen polarisiert ist. Wenn er einen Fehler mit der Basis macht, dann wird sich die Polarisation des Photons ändern, und die gefälschte Banknote wird mit der falschen Polarisation sein. Quantengeld ist noch nicht erschienen, weil es bisher nicht möglich war, ausreichend zuverlässige Fallen für Photonen zu erzeugen.Zur gleichen Zeit schlug Vizner vor, das gleiche Prinzip zum Schutz der Informationen zu verwenden, und diese Technologie steht nun kurz vor der Implementierung.

Vizners Ideen wurden jedoch nicht sofort erkannt. In den frühen 1970er Jahren schickte Wizner seinen Artikel über Quantenkryptographie an die Zeitschrift IEEE-Transaktionen zur Informationstheorie, aber für Redakteure und Rezensenten schien die Sprache des Artikels zu kompliziert. Erst 1983 wurde dieser Artikel in der Zeitschrift veröffentlicht ACM Newsletter Sigakt Nachrichtenund sie war es, die die erste Veröffentlichung in der Geschichte über die Grundlagen der Quantenkryptographie wurde.

Zunächst erwogen Vizner und Bennett die Möglichkeit, verschlüsselte Nachrichten mit Hilfe von "Quantenträgern" zu übertragen, während das Abhören die Nachricht verderben und unmöglich machen würde, sie zu lesen. Dann kamen sie auf eine verbesserte Version – die Verwendung von Quantenkanälen für die Übertragung von einmaligen "Chiffre-Notebooks" – Verschlüsselungsschlüssel.

Geschlossener Umschlag

Quantenkommunikationssysteme basieren auf der Verwendung von Quanteneigenschaften von Informationsträgern. Wenn in herkömmlichen Telekommunikationsnetzen Daten in der Amplitude und Frequenz von Strahlung oder elektrischen Schwingungen codiert sind, wird sie in Quantennetzen in der Amplitude des elektromagnetischen Feldes oder in der Polarisation von Photonen codiert.Natürlich wird viel teurere und komplexere Ausrüstung benötigt, aber diese Tricks sind berechtigt: Tatsache ist, dass die Übertragung von Informationen durch Quantenkanäle einen hundertprozentigen Schutz vor "Abhören" bietet. Nach den Gesetzen der Quantenmechanik ändert die Messung der Eigenschaften eines Quantenobjekts, zum Beispiel die Messung der Polarisation eines Photons, unweigerlich seinen Zustand. Der Empfänger wird sehen, dass sich der Zustand der Photonen verändert hat, und dies kann prinzipiell nicht verhindert werden – das sind die Grundgesetze der Natur. Dies kann mit einer solchen Analogie beschrieben werden: Stellen Sie sich vor, Sie senden einen Brief in einem geschlossenen Umschlag. Wenn jemand den Brief öffnet und liest, ändert sich die Farbe des Papiers und der Empfänger wird unweigerlich verstehen, dass der Dritte die Nachricht gelesen hat.

Erstes Protokoll

Das erste Protokoll der Quantenschlüsselverteilung wurde 1984 von Gilles Brassard und Charles Bennett erstellt und erhielt den Namen BB84. Zur Datenübertragung werden Photonen verwendet, die in vier verschiedenen Richtungen in zwei Basen polarisiert sind – in einem Winkel von 0 und 90 Grad (angezeigt durch das Zeichen "+") oder 45 und 135 Grad ("x").

Der Absender der Nachricht A (traditionell heißt es "Alice") polarisiert jedes Photon auf einer zufällig ausgewählten Basis und sendet es dann an den Empfänger B – "Bob."Bob misst jedes Photon auch zufällig. Danach teilt Alice Bob durch einen offenen Kanal die Sequenz seiner Basen mit, und Bob verwirft die falschen (nicht übereinstimmenden) Basen und sagt Alice, welche Daten nicht "bestanden" haben. Zur gleichen Zeit werden die Werte, die als Ergebnis von Messungen erhalten werden, nicht durch den offenen Kanal diskutiert.

Der Informationsaustausch sieht so aus: wenn ein Spion (er wird normalerweise "Eve" genannt), aus dem Englischen Abhören – Lauschangriff) will den geheimen Schlüssel abfangen, er muss die Polarisation von Photonen messen. Da er die Basis nicht kennt, muss er sie zufällig definieren. Wenn die Basis falsch bestimmt wird, erhält Eva nicht die korrekten Daten und ändert zusätzlich die Polarisation des Photons. Die angezeigten Fehler werden Alice und Bob sofort erkennen.

Die wertvollste Information sind die Verschlüsselungsschlüssel. Wenn der Schlüssel eine Länge hat, die gleich der Nachricht selbst oder noch länger ist, dann ist es im Prinzip unmöglich, die Nachricht zu entschlüsseln, ohne den Schlüssel zu kennen. Es bleibt noch übrig, die sichere Übertragung von Schlüsseln zu organisieren, und genau das bieten Quanten-Kommunikationslinien. Während jedoch die Datenübertragungsdistanz für solche Leitungen zu kurz ist: aufgrund von thermischem Rauschen, Verlusten, Defekten in der optischen Faser, "überleben" die Photonen nicht in großen Entfernungen.

Quantentasten

Viele Forschungsteams auf der ganzen Welt entwickeln Geräte zur "Wiederherstellung" von Quanten-Daten – sogenannte Quanten-Repeater, die Photonen "beleben" können. Eine Gruppe von Forschern des russischen Quantenzentrums unter der Leitung von Professor Alexander Lvovsky fand einen Weg, um die Eigenschaften von Photonen wiederherzustellen und experimentell die Effizienz dieser Methode zu bestätigen. Wissenschaftler haben das Phänomen der Quantenverschränkung untersucht, bei der die Zustände von zwei oder mehr Objekten – Atome, Photonen, Ionen – miteinander verbunden sind. Wenn der Zustand eines Paares verschränkter Photonen gemessen wird, dann wird der Zustand des zweiten sofort klar und die Zustände beider werden eindeutig verbunden sein – wenn zum Beispiel ein Photon vertikal polarisiert ist, dann ist das zweite horizontal und umgekehrt.

Autopsie nach Gehör

Das erste erfolgreiche Experiment zur Quantendatenübertragung wurde Ende Oktober 1989 von Bennett und Gilles Brassard durchgeführt, als eine sichere Quantenkommunikation in einer Entfernung von 32,5 cm installiert wurde. Das Gerät änderte die Polarisation von Photonen, aber die Stromversorgung war je nach Rausch unterschiedlich was Polarisation war. So konnten die Menschen frei zwischen Nullen und Einsen nach Gehör unterscheiden.Wie Brassard schreibt: "Unser Prototyp war vor jedem Lauscher geschützt, der taub gewesen wäre." Im Oktober 2007 wurden Quantenkryptographie-Methoden erstmals in einem Großprojekt eingesetzt. Quantum sicheres Kommunikationssystem, entwickelt von einer Schweizer Firma Id quantique, wurde verwendet, um Daten über die Abstimmungsergebnisse bei Parlamentswahlen im Schweizer Kanton Genf zu übermitteln. So waren die Stimmen der Schweizer wie keine andere Information geschützt.

"Wenn Sie Paare von verschränkten Photonen zwischen zwei entfernten Partnern verteilen, erhalten beide die gleiche Sequenz, die als Verschlüsselungsschlüssel verwendet werden kann, da es sich um eine wirklich zufällige Sequenz handelt, die nicht erraten oder berechnet werden kann. Die Korrelation zwischen ihnen wird verloren gehen, und der Schlüssel wird ihnen nicht mehr entzogen ", erklärt Alexander Lvovsky.

Die Herausforderung besteht darin, den Zustand der Quantenverschränkung bei der Übertragung über große Entfernungen zu erhalten. Bis jetzt war das ein großes Problem. Es war bisher nicht möglich, verschränkte Photonen über Glasfasernetze über eine Entfernung von mehr als 100 km zu übertragen. Auf bungefährLange Distanzen, Quanten-Daten gehen einfach im Rauschen verloren.In herkömmlichen Telekommunikationsnetzen werden verschiedene Arten von Repeatern oder Signalverstärkern verwendet, die die Amplitude des Signals verstärken und Rauschen entfernen, aber im Fall von Quantendaten funktioniert dieser Ansatz nicht. Ein Photon kann nicht "verstärkt" werden, wenn man versucht, seine Parameter zu messen, wird sich der Zustand des Photons ändern, was bedeutet, dass alle Vorteile der Quantenkryptographie verschwinden.

Quanten-Repeater

Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern versuchen, eine Technologie von Quanten-Repeatern zu entwickeln – Geräte, die Quanteninformation "neu erschaffen" können, ohne sie zu zerstören. Die Gruppe Lemberg scheint den Weg gefunden zu haben, der zum Erfolg führen kann. Im Jahr 2002 entdeckten er und seine Kollegen einen seltsamen Effekt, der "Quantenkatalyse" genannt wurde, in Analogie zu einem chemischen Begriff, bei dem bestimmte Reaktionen nur in Gegenwart einer speziellen Substanz – eines Katalysators – stattfinden können. In ihrem Experiment wurde der Lichtimpuls mit einem "zusätzlichen" einzelnen Photon auf einem teilweise durchlässigen Spiegel gemischt. Dann wurde dieses Photon "entfernt". Es scheint, dass der Zustand des Lichtimpulses sich nicht ändern sollte. Aufgrund der paradoxen Eigenschaften der Quanteninterferenz änderte das Photon es jedoch in Richtung der "Verstärkung" der Quanteneigenschaften.

"Zu dieser Zeit sah dieses Phänomen nicht mehr als ein seltsames Phänomen aus, das in der Quantenphysik zahlreich ist. Jetzt stellt es sich heraus, dass es eine wichtige praktische Anwendung hat – es ermöglicht Ihnen, die Verschränkung von Quantenzuständen des Lichts zu rekonstruieren", sagt Alexander Lvovsky.

In seiner neuen Arbeit, deren Bericht in der Zeitschrift veröffentlicht wurde NaturphotonikWissenschaftler haben gelernt, die "entwirrten" Photonen wieder zu verschränken. Als Quelle für verschränkte Photonen im Experiment verwendeten sie einen nichtlinearen Kaliumtitanylphosphatkristall mit einer periodischen Domänenstruktur. Er wurde durch Pikosekunden-Lichtimpulse "gefeuert", die von einem Titan-Saphir-Laser erzeugt wurden. Als Ergebnis wurden komplizierte Photonenpaare im Kristall geboren, die die Wissenschaftler auf zwei verschiedene optische Kanäle schickten. In einem von ihnen wurde das Licht mit Hilfe von getöntem Glas einer 20-fachen Schwächung unterzogen, wodurch der Grad der Verwicklung auf fast Null fiel. Dies entspricht einem Verlust von 65 km konventionellem Glasfaserkabel. Dann wurde das abgeschwächte Signal zum Strahlteiler geschickt, wo der Prozess der Quantenkatalyse stattfand. Wissenschaftler der Lwow-Gruppe nennen diesen Prozess "Quantendestillation", da am Ausgang weniger Photonen zurückbleiben,aber ihr Verwicklungsgrad steigt fast auf das Original an. "Aus einer Million schwach verschränkter Photonenpaare wird man sehr verwirrt. Aber gleichzeitig wird das Korrelationsniveau wieder auf das primäre zurückgeführt, und obwohl die Datenübertragungsrate etwas abnimmt, können wir eine stabile Verbindung in einer viel größeren Entfernung erreichen", sagt Alexander Lemberg, ein Lemberger Kollege.

Nicht nur für Spione

Basierend auf dieser Technologie wird es möglich sein, Quanten-Repeater zu schaffen, die für kommerzielle Zwecke geeignet sind. "Es gibt andere Methoden dafür, aber es ist unklar, wie man sie unter den Bedingungen existierender Quellen der Quantenverschränkung einsetzt. Es erweist sich als unverhältnismäßig teuer. Vielleicht wird unser Repeater einfacher und billiger", sagt Lvovsky. Seiner Meinung nach kann unter günstigen Bedingungen der erste Prototyp eines solchen Repeaters in vier bis fünf Jahren erstellt werden. Und sein Erscheinen auf dem Markt kann den Weg für eine wahrhaft massenhafte Anwendung der Quantenkryptographie öffnen, die das Leben nicht nur von Militärs oder Bankiers ernsthaft verändern wird.

"Das betrifft jeden von uns. Quantenkryptographie ist nicht irgendeine Art von Militär- oder Spionagegeheimnissen, das sind Kreditkartennummern, das sind medizinische Aufzeichnungen.Jeder von uns hat eine Menge vertraulicher Informationen, und je offener die Welt wird, desto wichtiger ist es für uns, den Zugriff darauf zu kontrollieren ", sagt Lvovsky. Quantentransfers können den Tod von Eindringlingen erheblich erschweren, die sie nicht mehr abfangen und entschlüsseln können Informationen.


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