Naturen har gitt oss en oppskrift på hvordan vi kan holde beskjeder hemmelige. Vi kan nemlig utnytte det spesielle kvantemekaniske fenomenet som kalles sammenfiltring (entanglement).

Kvantefysikken forteller at to partikler skal forstås som ett system når de er i en kvantetilstand som kalles sammenfiltring. De henger så å si sammen – selv om de er langt fra hverandre. Det faktum kan brukes som grunnlag for ubrytelige krypteringssystemer.

Spørsmålet har vært om det er mulig å bevare den sammenfiltrede tilstanden – og dermed mulighetene for å sende kvantekrypterte beskjeder – over veldig lange avstander.

Og det er det, viser resultatet av et kinesisk eksperiment, der sammenfiltrede fotoner ble sendt fra en satellitt til jordstasjoner 1203 kilometer fra hverandre. Det fremgår av en artikkel i det vitenskapelige tidsskriftet Science.

Ny rekord for kvantekommunikasjon

– Det er helt klart et viktig resultat – virkelig en milepæl innen kvantekommunikasjon. Det er et vakkert arbeid, og jeg er veldig imponert, sier professor Ulrik Lund Andersen. Han er leder av kvanteinformasjonsgruppen ved Institut for Fysik ved Danmark Tekniske Universitet.

Kvanteinformasjon kan også sendes gjennom optiske kabler, og i fjor ble kvantekryptering demonstrert mellom parter forbundet av 404 kilometer lang lyslederkabel.

Problemet med å bruke optiske kabler er at det oppstår tap. Lyset blir svakere jo lengre avstand det må tilbakelegge, og til slutt kan det ikke måles.

Kvantekommunikasjon har også foregått gjennom lufta, mellom øyene La Palma og Tenerife, 144 kilometer fra hverandre. Men nå har kineserne altså slått disse rekordene ettertrykkelig.

• Les også: Det er bare å pakke romkofferten

Kvantefysikken sikrer hemmelighetene

Ved kvantekryptering gjelder det å få sendt en rekke av sted flokete fotoner til avsender og mottaker, og ut fra målingene av polariseringen – retningen av lysbølgene – kan de to bli enige om en krypteringsnøkkel som de kan bruke til å utveksle hemmelige beskjeder.

Det smarte er at det ifølge kvantemekanikken er umulig å måle et system uten å endre det. En endring vil kunne oppdages, og dermed vil en eventuell angriper kunne avsløres. 

Forskerne har nå vist at sammenfiltrede fotoner kan sendes fra satellitt til jordstasjoner langt fra hverandre, men de har ikke demonstrert kvantekryptering. Det er like rundt hjørnet, forteller Ulrik Lund Andersen:

– Det er det naturlige neste skrittet – å bruke de sammenfiltrede tilstandene til å skape en hemmelig nøkkel. Det krever bare litt ekstra bearbeiding av kvanteinformasjonen.

• Les også: Vitenskapelig stjernegalleri til Trondheim

Langsom forbindelse kan være nok

Fotonene fra satellitten tilbakelegger det meste av veien i det tomme rom, og her er det ikke mye tap. Men i atmosfæren er det fortsatt tap av fotoner, som blir spredt eller absorbert av molekylene i lufta.

– Satellitten sendte seks millioner sammenfiltrede fotoner i sekundet. Men på grunn av tapet underveis endte forskerne med ett fotonpar per sekund. Så det er veldig langsom kommunikasjon, forteller Andersen.

– Men en bit i sekundet er nok til en hemmelig nøkkel og dermed sikker kommunikasjon mellom de to stasjonene. Det er ikke nok til massiv kommunikasjon, men til ekstremt hemmelige beskjeder, for eksempel hos etterretningstjenester.

– De trenger kanskje ikke å kommunisere så ofte, og da kan man bruke tiden mellom kommunikasjonene til å akkumulere en hemmelig nøkkel.

• Les også: «Et stort beist»: CERN planlegger neste versjon av verdens største maskin

Teleporteringn må også til

Ulrik Lund Andersen forventer også at kineserne vil forsøke å demonstrere kvanteteleportering, der en kvantetilstand overføres via satellitten. Teleportering er nødvendig for å koble sammen to kvantedatamaskiner:

– For å overføre kvantebits fra ett sted til et annet, for eksempel mellom kvantedatamaskiner som skal arbeide sammen i et nettverk, kan det skje via kvanteteleportering.

– Drømmen vår er å lage et kvanteinternett, der all verdens kvantedatamaskiner er koblet sammen via teleporteringskanaler. Det kan bare bli verdensomspennende hvis vi bruker satellitter. Også derfor er dette et viktig skritt.

Kvanteinternettet ligger et stykke inn i fremtiden, for det er fortsatt en del teknologiske utfordringer forbundet med å bygge brukbare kvantedatamaskiner.

Men kvantekryptering brukes allerede så smått til hemmelig kommunikasjon over korte avstander, og satellitten Micius baner veien for at det i tillegg er mulig over store avstander – også i et kommersielt nettverk.

Satellitten er verdens første kvantekommunikasjonssatellitt, men den blir helt sikkert ikke den siste.

Referanse:

Juan Yin m.fl: «Satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers», Science, 2017, doi: 10.1126/science.aan3211. Sammendrag.

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.