Experimentul confirmă planul pentru mesaje codificate cuantic

Cercetătorii au construit o mașină Enigma modernă care se bazează pe legile ciudate ale mecanicii cuantice în loc de rotoarele și pârghiile celebrelor mașini cu coduri din perioada celui de-al Doilea Război Mondial. Este primul experiment care arată că este posibil să se trimită cantități mari de date cuantice securizate protejate de o cheie secretă mult mai scurtă, informează echipa pe 12 august în Analiza fizică A.

Criptarea se bazează de obicei pe o cheie secretă care este partajată între două părți. Expeditorul folosește cheia pentru a amesteca mesajul, astfel încât să pară aleatoriu unui străin; receptorul folosește cheia pentru a o decripta. Un interceptator care nu are cheia nu poate citi mesajul deranjat.

Spionii pot folosi mecanica cuantică pentru a genera chei extrem de sigure care nu pot fi sparte nici măcar de cele mai puternice computere. În loc de un șir de 1 și 0, cheile cuantice folosesc învârtirile fotonilor, pachete minuscule de lumină. Dar pentru a funcționa, acele chei trebuie să fie cel puțin la fel de lungi ca mesajul pe care îl protejează.

„Este foarte puternic, dar este foarte impracticabil dacă încercați să transmiteți un dicționar sau un volum de informații”, spune Daniel Lum, fizician cuantic la Universitatea Rochester din New York, care a condus studiul.

Prin codificarea mesajului în sine (și nu doar cheia) într-un sistem cuantic, este teoretic posibil să protejați un șir lung de date folosind o cheie mult mai scurtă. Ideea, numită blocare cuantică a datelor, a fost propusă pentru prima dată în urmă cu aproximativ 10 ani de mai multe grupuri diferite de oameni de știință. Dar nimeni nu a testat-o ​​experimental până acum din cauza provocărilor de a trimite efectiv informații cuantice instabile.

Lum și colegii săi au construit o instalație care trage un foton către un detector. Pentru a masca mesajul codificat în interiorul fotonului, emițătorul amestecă modelul de undă al fotonului, astfel încât acesta să nu poată fi focalizat pe un singur punct de pe detector. Receptorul cunoaște ecuația pe care emițătorul a folosit-o pentru a deghiza valul și, prin urmare, poate folosi funcția inversă pentru a îndepărta acea deghizare. Apoi fotonul va ateriza în locul de pe detector unde a fost destinat, iar receptorul poate citi mesajul.

Ascultătorul nu cunoaște ecuația, care acționează ca o cheie. Testarea diferitelor chei pentru a încerca să o găsiți pe cea potrivită nu va funcționa într-un sistem cuantic; o presupunere greșită încurcă mesajul, deoarece măsurarea unui sistem cuantic îl schimbă. Și există atât de multe moduri diferite în care mesajul ar putea fi amestecat încât șansele de a ghici funcția corectă cu o singură încercare sunt practic zero.

Expeditorul trebuie încă să folosească o metodă sigură pentru a obține prima cheie la destinatar. Dar odată ce mingea se rostogolește, expeditorul poate încorpora o cheie nouă, mai scurtă în fiecare mesaj cuantic, pe care receptorul o poate folosi apoi pentru a debloca următoarea misivă.

Blocarea datelor cuantice are unele dezavantaje potențiale. Experimentul presupune că interceptătorul are o putere de calcul infinită, dar o memorie cuantică limitată și, prin urmare, nu poate colecta o mulțime de informații în timp despre mesajele care trec și să le adună pe toate pentru a sparge codul.

„În ceea ce privește capacitățile tehnice ale oamenilor, aceasta este o presupunere foarte rezonabilă”, spune Seth Lloyd, inginer mecanic cuantic la MIT, care a lucrat și la proiect. Dar nu este absolut sigur.

Unii oameni de știință cred că ar fi dificil să se aplice acest tip de blocare a datelor în lumea reală.

„Din punctul de vedere al științei mecanicii cuantice, ceea ce este cu adevărat frumos la blocarea datelor este că vă permite să criptați la un cost practic zero”, spune Patrick Hayden, un fizician cuantic la Universitatea Stanford, care nu a fost implicat în studiu. „Dar există anumite avertismente. Și, în realitate, tipul de securitate pe care îl obțineți în acest fel este delicat.” Hayden crede că majoritatea oamenilor care doresc să fie absolut siguri că mesajul lor rămâne privat ar alege probabil un alt protocol cuantic.

Echipa și-a trimis mesajele și prin aer, nu prin fibră optică, notează Lum. Aerul nu este un mediu bun pentru transmisia cuantică pe distanțe lungi. O a doua lucrare publicată, de asemenea, pe 12 august Analiza fizică A demonstrează blocarea datelor cuantice prin fibră optică. Dar, deoarece datele cuantice se pierd cu ușurință în timpul transmisiei pe distanțe lungi, această configurare este mai eficientă decât alte tehnici de criptare numai atunci când se trimit mesaje mai lungi.


Nota editorului: Această poveste a fost actualizată la 23 august 2016, pentru a corecta caracterizarea celui de-al doilea studiu.