Kvantum távközlés volt
2016. augusztus közepén egy kínai rakéta egy nagyon különleges műholdat indított pályára, amelyen kvantumtávközlési kísérletek történnek.
Noha a műholdat Kína építette és indította útjára, a kvantumtávközléssel kapcsolatos tanulmányok kínai és osztrák kutatók együttműködését jelentik: az első ilyen típusú műhold és ha a kísérletek életképesnek bizonyulnak, akkor teljesen megváltoztatják az adatok körforgását a bankok, a különféle katonai parancsnoki központok, vagy akár az okostelefonunk és a levelező szerver között.
A kvantummechanika alapelvei, amelyek a kvantumkommunikáció elméletének alapját képezik, garantálják, hogy a jövőbeli kvantumtávközlés biztonságban legyen, és ne lehallgassák őket (hackerek vagy kíváncsi kormányok), mert minden ilyen kísérlet elpusztítja az üzenetet. Meglátjuk tovább, hogy ez miért csak a kvantumtávközlés összefüggésében lehetséges.
QUANTUM SZÁMÍTÓGÉPEK
Schrödinger államok és kat. Szuperpozíciója
Az államok szuperpozíciójának fogalmának magyarázatához Erwin Schrödinger német fizikus, a kvantummechanika egyik atyja a következő (mentális) kísérletet képzelte el a múlt század elején.
Ablak nélküli acélládába zárt macska, elegendő víz- és levegőtartalommal. A doboz belsejében van egy nagyon erős méreg, üveg ampullába zárva, de egy kalapács is, amely készen áll az ampulla feltörésére, és nagyon gyenge aktivitású radioaktív forráshoz van kötve. Ha részecske bocsátódik ki, a kalapács eltöri az ampullát, és a méreg megöli a macskát. Ha nem, a macska biztonságban van. A radioaktív forrást itt csak véletlenszám-generátorként használják, egyfajta orosz rulettként, nem tudjuk, hogy a kalapács mikor és mikor törje meg az ampullát.
Az egész rendszert kívülről szemlélve senki sem tudja megmondani, hogy a macska él-e vagy sem, mert senki sem tudja, hogy mikor aktiválódik az a ampulla megtörő kalapács (mint mondtam, véletlenszerű, aktiválódhat vagy sem, egy adott időszakban).
Ezért a rendszer leírható olyan állapotfeltevést tartalmazó funkcióként, amelyben a macska egyszerre él és halt meg. A doboz kinyitásával megtudhatjuk, melyik állapotban van a macska, és ez egyenértékű a hullámfüggvény két lehetséges érték egyikére való csökkentésével.
Az utóbbi időben egyre többet hallunk kvantumszámítógépekről (olvassa el az interjút egy román szakemberrel ebben a témában), és a cikkek mindig nagyon zavarosak és nehezen követhetőek. Nem csoda, hogy a mező egyáltalán nem egyszerű, ahogy a kvantummechanika sem, ez az elmélet valahol a mindennapi intuíciónkon és észlelésünkön kívül helyezkedik el.
Egyelőre csak arra kell emlékeznünk, hogy paradigmaváltással van dolgunk: ha eddig a klasszikus számítógép adatai a két lehetséges állapot egyikét jelentik (0 vagy 1), kvantum számítógép esetén azokat az adatokat, amelyek állapotok szuperpozíciójává manipulálja őket, manipulációjuk pedig kvantumfogalmakat foglal magában, például a részecskék összefonódását, ami az univerzum kvantumskálán különösen furcsa vonása.
Tehát, ha a klasszikus esetben a számítógépek bitekkel (0 vagy 1) működnek, akkor a kvantum számítógépek úgynevezett qubitekkel működnek, amelyeknek nincs egyetlen állapota, hanem állapotok szuperpozíciója. Innentől kezdve a dolgok gyorsan bonyolódnak, és a kvantum számítógép működésének magyarázatához külön cikkre van szükség, a terület ma rendkívül dinamikus.
De a kvantumkommunikációhoz nincs szükség kvantumszámítógépre, két különböző dologról beszélünk.
KVANTUM TÁVKÖZLÉS
Meg kell különböztetnünk a kvantummotorokat, amelyek olyan számítástechnikai gépek, amelyek a kvantummechanika egyes szabályai szerint működnek, és a kvantumtávközlést, amelyek használatához nincs szükség kvantumszámítógépekre.
Ha a kvantumtávközlés széles körben életképesnek bizonyul, beilleszkedik a meglévő rendszerekbe, és biztonságosabb alternatívát kínál az érzékeny adatátvitelhez. Másrészt a kvantum számítógépek a közeljövőben a számítási teljesítmény drámai növekedéséhez vezetnek, ami gyorsan a jelenlegi kriptográfiai módszerek gyengüléséhez vezethet.
Az interneten széles körben alkalmazott jelenlegi titkosítási rendszer sebezhetőségének pótlására a kvantumfizika törvényszerűségeit felhasználva egy tévedhetetlen rendszert lehet kifejleszteni, amely nem teszi lehetővé az átvitt adatok elfogását. És nem a titkosításhoz használt kulcs megszakításának megnövekedett nehézségéről van szó, hanem az adatok visszafejtésének fizikai lehetetlenségéről, amely a természet intim törvényeiből adódik, a kvantummechanika egyenleteivel kifejezve.
Nyilvános és magánkulcsok
Jelenleg az online kommunikáció aszimmetrikus titkosítási rendszert használ. Például mind a WhatsApp felhasználók között keringő üzenetek, mind a böngésző és a levelezőszerver közötti kapcsolat ilyen típusú titkosítást használ. Egy üzenet aszimmetrikus titkosítással történő titkosításához két kulcsot használnak, matematikailag összefüggenek egymással (azaz egyetlen algoritmus hozza létre mindkettőt).
Vegyük a WhatsApp alkalmazáson keresztül kicserélt üzenetek példáját: egy algoritmus minden felhasználó telefonján generálja ezt a pár kulcsot: egy privát (titkos), amely nem hagyja el a telefont, és egy nyilvános, amelyet egy központi szerverre küldenek, ahol a bárki. Amikor Ion titkosított üzenetet akar küldeni Maria-nak, Ion kiválasztja Maria-t a névjegyzékéből. Automatikusan a WhatsApp alkalmazás titkosítja az Ion által írt üzenetet Maria nyilvános kulcsával (bárki számára elérhető, mint mondtam, így az alkalmazás letölti egy szerverről). Az üzenet így Ion telefonjáról titkosítva távozik, és ebben a formában átmegy az interneten, egészen Mariaig.
Ha Mihai bármilyen módon elfogja az üzenetet, az titkosítva van, és nem olvasható el közvetlenül. A visszafejtés egyetlen módja Maria privát kulcsának használata, amely a telefonján található. Tehát az üzenetet csak akkor lehet visszafejteni, ha (és ha) eljut Máriához. Ő válaszol, és minden ugyanúgy történik, de ellenkező irányba. A titkosított üzenetet elfogó Mihai-nak két lehetősége van elolvasni. Vagy elég erős számítógépet fog használni a titkosítás feltöréséhez, de néhány évbe telhet. Nem túl praktikus.
A második lehetőség az lenne, hogy birtokba vegye Maria magánkulcsát, ami megint nehéznek bizonyulhat, ha nincs közvetlen hozzáférése Maria telefonjához. De nyilvánvaló, hogy az aszimmetrikus titkosítási rendszernek két sérülékenysége van: az átvitt üzenet, még ha titkosítva is, elméletileg megtörhető, ha a támadónak elegendő erőforrása van (számítási teljesítménye és ideje), vagy ha a támadó kezébe kerülhet magánkulcsok.
Mielőtt azonban meglátnánk, hogyan történhet ez meg, nézzük meg, mit jelent a kvantumkulcsos elosztórendszer. A jelenlegi széles körben használt titkosítási rendszer párosított kulcsrendszert használ, mind nyilvános, mind privát, de a jövőbeni kvantum távközlési rendszer ezt leegyszerűsíti: a titkosítás egyetlen kulcs segítségével történik, amelyet megosztanak a felhasználók.
Ez biztonságos? Meglepő módon, de igen, a kvantumfizikának köszönhetően. A kulcsot egy olyan kvantumfolyamat generálja, amely véletlenszerűen polarizált fotonokat generál, és nem más, mint azok polarizálásának sorozata. Egy valóban véletlenszerű sorozat, amelyet csak kvantumfolyamat útján lehet megszerezni, fontos szempont, hogy minden alkalommal egyedi kulcsot hozzunk létre.
Kvantum összefonódás
Ahogy a makroszkopikus testeknek különféle mérhető tulajdonságaik vannak, például tömegük, impulzusuk, alakjuk vagy színük, a kvantum entitásoknak, például a részecskéknek is megvannak a maguk fizikai tulajdonságai, amelyek néha értelmet nyernek abban a makroszkopikus világban, amelyhez szoktunk (tömeg, impulzus ), de máskor sajátosan a kvantumvilágra vonatkoznak (spin, polarizáció), és csak azzal közelíthetők, amellyel napi skálán találkozunk (a spin egyfajta kinetikus pillanat, de egy pontig).
Most képzeljünk el egy kvantumrendszert, amely két (vagy több részecskét, de az egyszerűség kedvéért csak két részecskét fog létrehozni). A kvantum-összefonódás az a jelenség, amellyel a létrejövő rendszert nem lehet az alkotó részecskéktől függetlenül leírni, amelyek némileg kapcsolódnak egymáshoz, függetlenül a köztük levő távolságtól, és amelyek csak együttesen írhatják le a kapott rendszer teljes állapotát.
A kvantumos összefonódás meglátásának másik módja, hogy az egyik kapott részecske paramétereinek mérésével közvetve megtalálhatjuk a másik részecske paramétereinek értékeit, még akkor is, ha a két részecske több száz vagy ezer kilométerre van egymástól, és nem kommunikálnak egymással.
Az így kapott fotonok eloszlanak a felhasználók számára (tegyük fel, hogy csak két felhasználó van, a magyarázat egyszerűsítése érdekében). Itt van a kvantumvilággal kapcsolatos két szempont: a nem klónozó tétel és a kvantum összefonódása. Nem fogunk unalmas részletekbe bocsátkozni, de el kell mondani, hogy az ilyen húrban polarizált fotonokat nem lehet egyszerűen lemásolni vagy klónozni.
Ha ezt megkísérlik, a polarizációjuk megváltozik. Mivel egy kvantumrendszer tulajdonságainak mérése megpróbálja megváltoztatni a paramétereit. Ezt mondja a nem klónozó tétel, és kapcsolódik a Wernher Heisenberg által megfogalmazott bizonytalansági elvhez. Tekintettel arra, hogy két felhasználónk van és mindegyikük megkapta a kulcs másolatát, a kvantum összefonódás segítségével megtudhatjuk, hogy az egyik kulcs módosult-e vagy sem.
Ha módosították, az azt jelenti, hogy valaki megpróbálta elfogni, akkor azt veszélyeztetettnek tekintik, és új kulcs jön létre. A kulcs, amely már mindkét felhasználó birtokában van, és biztos abban, hogy nem sikerült elfogni, felhasználható az üzenetek titkosításához. Hát nem ilyen egyszerű? A két billentyű összehasonlításának módja meglehetősen összetett, de gyakorlatilag megvalósítható.
Most van néhány kérdés. Kísérleteket végeztek a kvantum-összefonódás jelenségével összekapcsolt fotonokkal, de kimutatták, hogy csak 100 km-nél rövidebb távolságokon működik. És ne gondold, hogy a kvantumtávközlés a jövőbe tartozik, az első ilyen kísérlet laboratóriumokon kívül már 2004-ben történt, amikor Bécsben 3000 eurós banki átutalás történt kvantum titkosítási mechanizmusok felhasználásával.
Jelenleg vannak olyan vállalatok, amelyek kvantum távközlési rendszereket értékesítenek a földön, száloptikán keresztül, de ezek viszonylag rövid távolságokon zajlanak. Ha a műholdon végzett kísérletek sikeresek lesznek, hamarosan széles körben elérhetővé válnak, és több ezer mérföldnyire vannak.
A Mozi műhold elindítása
A kínai műhold kilövésére 2016. augusztus 15-én 20: 40-kor került sor a Jiuquan űrkomplexum LC43-as indítópályájáról. A műhold súlya 500 kilogramm, és egy kínai filozófusról kapta a nevét, aki korszakunk előtt 5 évszázaddal élt, Mozi (más néven Mo Di vagy latinizáltan Micius néven), de a nyugati félteke sajtója néha Quantum Space Satellite-nek vagy QSS-nek hívja a műholdat.
Az indításhoz használt rakétának, a Changzheng 2D-nek két szakasza van, és az 1992-es első repülés óta 29 indítás volt sikeresen. Ezt a modellt gyakran használják a töltések helioszinkron pályára történő elhelyezésére. Alacsony Föld-pályán 3,5 tonnát képes megmászni, míg egy helioszinkron pálya legfeljebb 1,3 tonnát képes szállítani. A helioszinkron pálya előnye, hogy a műhold minden nap pontosan ugyanabban az időben halad át a Föld felszínén egy rögzített ponton, ami időnként fontos a meteorológiai megfigyelésnél vagy a kémkedésnél.
A rakéta a Changzheng 4-ből származik, az első fokozat (csaknem 28 méter) gyakorlatilag azonos vele, és egy YF-21C motor hajtja, amely hidrazint és nitrogén-tetraoxidot éget. A 10,9 méter hosszú második szakasz YF-24C motort használ, átmérője 3,35 méter. A mérgező üzemanyag miatt Kína az egész motorcsaládot lecseréli a hatékonyabb és kevésbé mérgező üzemanyagot használó Changzheng 5, 6 és 7-re.
A Mozi műholdat a Kínai Tudományos Akadémia (CAS) fejlesztette ki és indította útjára. Egészen a közelmúltig Kínában csak a hadseregnek és az Ipari, Információs és Technológiai Minisztériumnak volt hozzáférése rakétákhoz, és engedélyt kapott műholdak indítására, de a közelmúltban a politikát enyhítették, hogy a tudósok közvetlenebb hozzáférést biztosítsanak az űrhöz. Így a Mozi a második műhold, amelyet a CAS indított a sötét anyag vizsgálatára a 2015 decemberében elindított Dark Matter Particle Explorer (DAMPE) után.
A kínai Mozi műhold teszteli, hogy lehetséges-e ezt a tulajdonságot tízszer nagyobb távolságra használni. Ha ez sikerül, a közeljövőben néhány ilyen műhold képes lesz olyan hálózatot létrehozni, amely elérhetővé teszi az ilyen kvantumkulcsokat az érdeklődő felhasználók számára. Nem lesz könnyű, mert a jel egy légköri turbulencia vagy háttérzaj sorozatával fog találkozni a műhold és a földi vevőállomások közötti útjában, mert a kutatás azt reméli, hogy a műhold kvantumkulcs-elosztó reléként használható Bécs és Peking.
A műhold fedélzetén létrehozott kvantumkulcsot közlik a bécsi és a pekingi földi állomásokkal, amelyek képesek lesznek arra, hogy titkosítsák azokat az üzeneteket, amelyeket később klasszikus csatornákon (interneten) keresztül továbbíthatnak. A kulcs nem fogható el anélkül, hogy megsemmisülne, amikor azt a műhold továbbítja, így a titkosítás biztonságos, és a titkosított üzenet nyilvánosan körözhet, a visszafejtéstől való félelem nélkül.
A műhold fedélzetén végzett kísérletek itt nem állnak meg. A Mozi az első műhold, amely képes fotonok teleportálására. Igen, kvantumos teleportálás, 1000 kilométeres rekordtávolságon. És ez véletlenül történik még abban az évben is, amikor a Star Trek fél évszázadot ünnepel az első epizód sugárzása óta.
A BEÍROTT KÖZLÉS JÖVŐJE?
Meggyőződésem, hogy a következő években forradalomnak lehetünk tanúi az adatok titkosításában. A rendelkezésre álló számítási teljesítmény növekedésével ez szükségessé válik annak érdekében, hogy bizalmasan kezeljük az interneten naponta forgalomban lévő hatalmas mennyiségű adatot. Az Egyesült Államok, Európa és Kína hatalmas forrásokat fektet be a kvantumkommunikációba, és az első kedvezményezettek valószínűleg a katonaság és a pénzügy tagjai lesznek, és később a felhasználók tömegei számára is elérhetővé válnak.