Velik napredek pri kvantnem šifriranju
Ne zgodi se prav pogosto, da v najelitnejši znanstveni reviji Nature članke objavljajo raziskovalni oddelki podjetij. Še redkeje pa je tematika tamkajšnjih člankov računalniška. V najnovejši številki Nature pa je Toshibin evropski raziskovalni laboratorij iz Cambridgea objavil kratek članek (letter) o uspehu na področju kvantnega šifriranja, ki to naslednjo generacijo zaščite občutljivih komunikacij precej približuje sedanjosti. Pokazali so, da je mogoče šifriranje s fotoni uporabiti tudi za komunikacijo več strank, ne le dveh, kar bo v prihodnosti znatno pocenilo in poenostavilo postavitev tovrstnih omrežij.
Pri klasičnem šifriranju se namreč zanašamo na algoritme, torej matematiko. Trdno verjamemo, da so nekateri problemi tako težko rešljivi, da jih niti z vso razpoložljivo računsko močjo na svetu ne moremo rešiti v doglednem času (to pomeni za časa naše civilizacije). Taka tipična primera sta faktorizacija produktov velikih praštevil ter izračun ostanka pri celoštevilskem deljenju z velikimi praštevili. Izvedenki šifriranja sta dve – asimetrična in simetrična. Pri prvi ima prejemnik javni in zasebni ključ. Javnega lahko uporabi vsakdo za šifriranje sporočila, le ustrezen zasebni ključ pa imetniku omogoči prebiranje sporočila. Ta vrsta šifriranja bo postala neuporabna, če bomo danes izjemno težke matematične probleme sposobni hitro reševati, kar napovedujejo kvantni računalniki. Simetrično šifriranje pa uporablja isti ključ za šifriranje in dešifriranje sporočila, kar postavlja vprašanje, kako tak ključ poslati med prejemnikom in pošiljateljem, da ga ne bodo videle nepooblaščene oči. Če tak kanal za pošiljanje imamo, zakaj sploh šifrirati?
Tako kot kvantni računalniki grozijo, da bodo zlomili asimetrično šifriranje, hkrati kvantno šifriranje ponuja možnost, kako preprečiti prisluškovanje. Algoritemsko je šifriranje povsem neodporno na prisluškovanje pri izmenjavi ključa, saj deležnika tega ne moreta ugotoviti, nasprotnik pa lahko potem bere vso njuno komunikacijo. Kvantno šifriranje (recimo s fotoni) za izmenjavo ključa uporablja fotone, ki predstavljajo vsak po eno digitalno stanje (0 ali 1) s svojim kvantnim stanjem (polarizacijo). Zaradi narave kvantne mehanike, ki jo v veliki meri postavlja Heisenbergov princip nedoločljivosti, ima to nekaj zanimivih posledic. Kot rečeno, prav ta isti princip bo kvantnim računalnikom omogočil hipno opravljanje težkih operacij, saj bodo kvantni biti (kubiti) v superpozicij, potem pa bodo »padli« v ustrezno stanje in s tem izračunali želeno (za biokemike analogen primer je zvijanje proteinov, ki ga zaradi več kot 10100 možnih konformacij ne moremo izračunati v normalnem času, proteinska molekula pa sama takoj zvije v pravilno konformacijo - Levinthalov paradoks). Druga lastnost pa je, da je nemogoče izmeriti stanje sistema (torej tudi fotona), ne da bi nanj vplivali. Zato pri kvantnem šifriranju partnerja po izmenjavi ključa enostavno ugotovita, ali ga je vmes prebral še kdo. (To pa vseeno ni zaščita za man-in-the-middle napad, kjer napadalec v celoti nadzoruje vso komunikacijo in lahko pošiljatelju še vedno podtakne svoj javni ključ, prejemniku pa svoje sporočilo).
Težav kvantnega šifriranja je več. Ena izmed njih je razdalja, saj se z naraščajočo razdaljo povečuje možnost za naključne spremembe polarizacije fotonov, kar pokvari preneseni ključ. Druga težava pa je bistvena za to zgodbo. Doslej je bilo mogoče komunicirati le ena na ena. To pomeni, da je moral imeti vsak sodelujoči svoj optični kabel in razmeroma drag detektor (polarizator). Raziskovalci v Toshibinem laboratoriju so sedaj odkrili način, kako lahko isto vlakno in detektor uporablja do 64 uporabnikov, kar je bistveno ceneje in uporabneje. Kako pomembno je to odkritje, priča že format objave. Redko pridejo te vesti v Nature, objava v obliki kratkega prispevka (letter) pa pomeni, da gre za prebojno odkritje, ki si zasluži najhitrejšo objavo, še pred pripravo polnega članka (scientific paper).
Kvantno šifriranje je živahno raziskovalno področje, ki se razvija praktično v koraku z razvojem kvantnih računalnikov. Na Univerzi v Bristolu že testirajo uporabo na mobilnih napravah, v praksi pa raziskovalni laboratoriji po optičnih vodnikih že rutinirano pošiljajo kvantna sporočila na razdaljah nekaj kilometrov. Prihodnost je torej – kvantna.
http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-23946488
http://libgen.org/scimag5/10.1038/nature12493.pdf
