Това бяха квантовите телекомуникации
В средата на август 2016 г. китайска ракета изведе в орбита много специален спътник, на който ще се проведат квантови телекомуникационни експерименти.
Въпреки че спътникът е построен и пуснат от Китай, изследванията върху квантовите телекомуникации са сътрудничество между китайски и австрийски изследователи: е първият спътник от този тип и ако експериментите се окажат жизнеспособни, те ще променят напълно начина, по който данните циркулират между банки, между различни военни командни центрове или дори между нашия смартфон и пощенски сървър.
Принципите на квантовата механика, които стоят в основата на теорията за квантовите комуникации, гарантират, че бъдещите квантови телекомуникации са сигурни и няма да бъдат прихващани (от хакери или любопитни правителства), защото всеки подобен опит ще унищожи съобщението. Ще видим по-нататък защо това е възможно само в контекста на квантовите телекомуникации.
КВАНТОВИ КОМПЮТРИ
Суперпозицията на състоянията на Шрьодингер и кат
За да обясни концепцията за суперпозицията на състояния, германският физик Ервин Шрьодингер, един от бащите на квантовата механика, си представи следния (мисловен) експеримент в началото на миналия век.
Котка, заключена в стоманена кутия без прозорци, с достатъчно запаси от вода и въздух. Вътре в кутията имаме много силна отрова, затворена в стъклена ампула, но също така и чук, готов да счупи ампулата, свързан с радиоактивен източник с много слаба активност. Ако се отдели частица, чукът ще счупи ампулата и отровата ще убие котката. Ако не, котката е в безопасност. Радиоактивният източник се използва тук само като генератор на случайни числа, нещо като руска рулетка, не знаем кога и дали чукът ще счупи флакона.
Гледайки цялата система отвън, никой не може да разбере дали котката е жива или не, защото никой не знае кога се задейства чукът, който разбива ампулата (както казах, той е случаен, може да се активира или не, за даден период от време).
Следователно системата може да бъде описана като функция, която съдържа суперпозиция на състояния, при която котката е жива и мъртва. Отварянето на кутията ще ни каже в кое от двете състояния е котката и е равносилно на намаляване на вълновата функция до една от двете възможни стойности.
Напоследък все повече чуваме да говорим за квантови компютри (прочетете интервюто с румънски специалист по този въпрос) и статиите винаги стават много объркващи и трудни за следване. Нищо чудно, че областта съвсем не е проста, нито квантовата механика, теория, която се намира някъде извън нашата ежедневна интуиция и възприятие.
Засега трябва да помним само, че имаме работа с промяна на парадигмата: ако досега данните в класически компютър означават едно от двете възможни състояния (0 или 1), в случая на квантов компютър данните, които той ги манипулира в суперпозиция на състояния и тяхната манипулация включва квантови концепции, като заплитане на частици, особено любопитна характеристика на Вселената в квантов мащаб.
Така че, ако в класическия случай компютрите работят с битове (0 или 1), квантовите компютри работят с така наречените кубити, които нямат едно състояние, а суперпозиция на състояния. Оттук нататък нещата се усложняват бързо и за да се обясни работата на квантовия компютър се изисква отделна статия, като полето е изключително динамично днес.
Но квантовите комуникации не изискват квантови компютри, ние говорим за две различни неща.
КВАНТОВИ ТЕЛЕКОМУНИКАЦИИ
Трябва да правим разлика между квантовите компютри, които са изчислителни машини, работещи в съответствие с някои от правилата на квантовата механика, и квантовите телекомуникации, които не се нуждаят от квантови компютри, за да бъдат използваеми.
Ако се окажат широко жизнеспособни, квантовите телекомуникации ще се интегрират в съществуващите системи и ще осигурят по-сигурна алтернатива за трансфер на чувствителни данни. От друга страна, квантовите компютри в близко бъдеще ще доведат до драстично увеличаване на изчислителната мощност, което може бързо да отслаби настоящите криптографски методи, използвани днес.
За да се заменят уязвимостите на настоящата широко използвана система за криптиране в Интернет, като се използват законите на квантовата физика може да се разработи непогрешима система, която не позволява прихващането на предадените данни. И не става въпрос за повишена трудност при разбиване на ключ, използван за криптиране, а за физическа невъзможност за дешифриране на данните, произтичащи от интимните закони на природата, изразени от уравненията на квантовата механика.
Публични и частни ключове
В момента онлайн комуникациите използват асиметрична система за криптиране. Например и двете съобщения, циркулиращи между потребители на WhatsApp, и връзката между браузъра и пощенския сървър използват този тип криптиране. За шифроване на съобщение с помощта на асиметрично криптиране се използват два ключа, математически свързани помежду си (т.е. един алгоритъм генерира и двата).
Да вземем примера на съобщения, обменени чрез приложението WhatsApp: алгоритъм генерира на телефона на всеки потребител тази двойка ключове: частен (таен), който не напуска телефона, и публичен, който се изпраща на централен сървър, където може да бъде достъпен от някой. Когато Йон иска да изпрати на Мария криптирано съобщение, Йон ще избере Мария от списъка си с контакти. Приложението WhatsApp автоматично кодира съобщението, написано от Ion, използвайки публичния ключ на Мария (достъпно за всеки, както казах, така че приложението го изтегля от сървър). По този начин съобщението остава шифровано от телефона на Йон и ще пресича интернет в тази форма, докато Мария.
Ако Mihai прихване съобщението по някакъв начин, то е криптирано и не може да бъде прочетено директно. Единственият начин за дешифриране е да се използва личният ключ на Мария, който е на нейния телефон. Така че съобщението може да бъде дешифрирано само когато (и ако) стигне до Мери. Тя отговаря и всичко се случва по същия начин, но в обратната посока. Михай, който прихваща шифрованото съобщение, има две възможности да го прочете. Или ще използва достатъчно мощен компютър, за да пробие криптирането, но може да отнеме няколко години, за да го направи. Не е много практично.
Вторият вариант би бил да завладее частния ключ на Мария, което отново може да бъде трудно, ако тя няма пряк достъп до телефона на Мария. Но е очевидно, че асиметричната система за криптиране има две уязвимости: съобщението в транзит, дори ако е криптирано, може да бъде нарушено, теоретично, ако нападателят разполага с достатъчно ресурси (изчислителна мощност и време) или нападателят може да се докопа до него частни ключове.
Но преди да видим как това може да се случи, нека видим какво означава система за разпределение на квантовия ключ. Настоящата широко използвана система за криптиране използва сдвоена ключова система, както публична, така и частна, но бъдещата квантова телекомуникационна система ще опрости това: криптирането ще се извърши с помощта на един ключ, който ще се споделя между потребителите.
Това безопасно ли е? Изненадващо, но да, благодарение на квантовата физика е така. Ключът се генерира от квантов процес, който генерира произволно поляризирани фотони и не е нищо повече от поредица от начини за тяхното поляризиране. Истински случайни серии, които могат да бъдат получени само чрез квантов процес, важен аспект за генериране на уникален ключ всеки път.
Квантово заплитане
Точно както макроскопичните тела имат различни измерими свойства, като маса, импулс, форма или цвят, квантовите образувания, като частиците, също имат свой собствен набор от физически свойства, които понякога имат смисъл в макроскопичния свят, който сме свикнали (маса, импулс ), но друг път те са специфични за квантовия свят (спин, поляризация) и могат да бъдат приближени само с това, което срещаме в ежедневна скала (спинът е вид кинетичен момент, но до определена точка).
Сега си представете квантова система, която произвежда две (или повече частици, но за простота ще използваме само две частици). Квантовото заплитане е явлението, при което получената система не може да бъде описана независимо от съставните частици, които са донякъде свързани помежду си, независимо от разстоянието между тях, и които само заедно могат да опишат пълното състояние на получената система.
Друг начин да се види квантовото заплитане е, че чрез измерване на параметрите на една от получените частици можем косвено да намерим стойностите на параметрите на другата частица, дори ако двете частици са отдалечени на стотици или хиляди километри и не комуникират помежду си.
Така получените фотони се разпределят сред потребителите (да предположим, че има само двама потребители, за да се опрости обяснението). Ето два аспекта, свързани с квантовия свят: неклониращата теорема и квантовото заплитане. Няма да навлизаме в скучни подробности, но трябва да се каже, че поляризираните фотони в такъв низ не могат просто да бъдат копирани или клонирани.
Ако това се направи, поляризацията им се променя. Защото опитът да се измери свойствата на квантовата система променя нейните параметри. Това казва теоремата за неклонирането и е свързана с принципа на несигурност, заявен от Вернхер Хайзенберг. Като се има предвид, че имаме двама потребители и че всеки от тях е получил копие на ключа, с помощта на квантовото заплитане можем да разберем дали един от ключовете е модифициран или не.
Ако е модифициран, това означава, че някой се е опитал да го прихване, смята се за компрометиран и се генерира нов ключ. Ключът, който вече е притежаван и от двамата потребители, които са сигурни, че не е прихванат, може да се използва за криптиране на съобщения. Не е ли просто? Начинът, по който се сравняват двата клавиша, е доста сложен, но все пак практически осъществим.
Сега има някои проблеми. Проведени са експерименти с фотони, свързани помежду си от явлението квантово заплитане, но е доказано, че той работи само на разстояния, по-малки от 100 км. И не си мислете, че квантовите телекомуникации принадлежат към бъдещето, първият подобен опит извън лабораториите е направен още през 2004 г., когато във Виена е извършен банков превод от 3000 евро с помощта на механизми за квантово криптиране.
В момента има компании, които продават квантови телекомуникационни системи на земята, чрез оптични влакна, но те се извършват на относително малки разстояния. Ако експериментите на сателита са успешни, те скоро ще станат широко достъпни и на хиляди мили.
Стартиране на спътника Mozi
Изстрелването на китайския сателит се състоя на 15 август 2016 г. в 20:40 ч. На стартовата площадка LC43 на космическия комплекс Джиукуан. Сателитът тежи 500 килограма и е кръстен на китайски философ, живял 5 века преди нашата ера, Mozi (известен също като Mo Di или латинизиран като Micius), но понякога пресата в Западното полукълбо нарича сателита Quantum Space Satellite или QSS.
Ракетата, използвана за това изстрелване, Changzheng 2D, има два етапа и от първия полет през 1992 г. има 29 изстрелвания, всички успешно. Този модел често се използва за поставяне на заряди в хелиосинхронна орбита. Той може да изкачи 3,5 тона в ниска околоземна орбита, докато хелиосинхронната орбита може да носи максимум 1,3 тона. Предимството на хелиосинхронната орбита е, че спътникът преминава над неподвижна точка на повърхността на Земята всеки ден точно по едно и също време, което понякога е важно при метеорологично наблюдение или шпионски мисии.
Ракетата е получена от Changzheng 4, като първият етап (почти 28 метра) е практически идентичен с нея и се задвижва от двигател YF-21C, който изгаря хидразин и азотен тетраоксид. Вторият етап, дълъг 10,9 метра, използва двигател YF-24C и има диаметър 3,35 метра. Поради токсичното гориво Китай ще замени цялото семейство двигатели с Changzheng 5, 6 и 7, проектирани да бъдат по-ефективни и да използват по-малко токсично гориво.
Сателитът Mozi е разработен и изстрелян от Китайската академия на науките (CAS). Доскоро в Китай само военните и Министерството на промишлеността, информацията и технологиите имаха достъп до ракети и имаха одобрение за изстрелване на спътници, но напоследък политиката беше облекчена, за да позволи на учените по-директен достъп до космоса. По този начин Mozi е вторият сателит, изстрелян от CAS, след Dark Matter Particle Explorer (DAMPE), изстрелян през декември 2015 г., за изследване на тъмната материя.
Китайският спътник Mozi тества дали е възможно този имот да се използва на десет пъти по-големи разстояния. Ако това успее, в близко бъдеще някои такива сателити ще могат да формират мрежа, която ще направи такива квантови ключове достъпни за заинтересованите потребители. Няма да е лесно, защото сигналът ще срещне поредица от атмосферна турбуленция или фонов шум по пътя си между сателита и наземните приемни станции, тъй като изследването се надява да може да използва сателита като реле за разпределение на квантовия ключ между Виена и Пекин.
Квантовият ключ, генериран на борда на сателита, ще бъде предаден на наземните станции във Виена и Пекин, които ще могат да го използват за шифроване на съобщения, които по-късно могат да предават по класически канали (Интернет). Ключът не може да бъде прихванат, без да бъде унищожен, когато се предава от сателита, така че криптирането е сигурно и кодираното съобщение може да циркулира публично, без страх от дешифриране.
Експериментите, извършвани на борда на спътника, не спират до тук. Mozi е първият сателит, способен да телепортира фотони. Да, квантова телепортация, на рекордно разстояние от 1000 километра. И това се случва по случайност дори в годината, в която Star Trek празнува половин век от излъчването на първия епизод.
БЪДЕЩЕТО НА КОДИРАНИТЕ КОМУНИКАЦИИ?
Убеден съм, че през следващите години ще станем свидетели на революция в криптирането на данни. С увеличаването на наличната изчислителна мощност това ще е необходимо, за да се запази поверителността на огромното количество данни, циркулиращи в Интернет всеки ден. САЩ, Европа и Китай инвестират огромни ресурси в квантови комуникации, а първите бенефициенти вероятно ще бъдат военни и финанси и по-късно ще бъдат достъпни за масите на потребителите.