Stránka 1 z 1

Kvantová teleportace - šifrování komunikace

PříspěvekNapsal: 27/6/2017, 14:09
od Rase
Kvantová teleportace jako způsob nerušitelné komunikace

Hudbou velice blízké budoucnosti jsou bezpochyby drony, ať již hejna levných letounků z 3D tiskárny, nebo komplexní projekty bezpilotních letounů a vojenské techniky, která se pohybuje dle pokynů vzdáleného operátora, nebo pomocí vlastní pokročilé umělé inteligence (UI). Pokud tento trend sleduje běžný člověk, řekne si, že tyto stroje stačí snadno hacknout a převzít nad nimi kontrolu. Budoucnost ale ukazuje poměrně zajímavou alternativu v podobě kvantové teleportace - tedy i nerušitelného způsobu komunikace. Právě v oblasti kvantové teleportace dochází k rychlému pokroku. Specifickým kvantovým vlastnostem se věnuje článek o podivnostech kvantového světa, který vysvětluje i jak propletené stavy vznikají. Ty lze využít k teleportaci kvantové informace. Nyní příklad jak tato kvantová teleportace (pro potřeby šifrování) funguje - použit systém Alice a Bob, který tradičně slouží jako příklad při vysvětlování protokolů v kryptografii:

Představme si, že si chceme my (Alice) s kolegou (Bob) předat informaci / kvantové stavy. Každý si tedy vezmeme jednu částici z kvantového propleteného systému, který jsme obdrželi od Charlieho. Když budeme chtít teleportovat kvantový stav, který Charlie dodal nám (Alici) i Bobovi, provedeme s tímto kvantovým stavem a svoji částí propleteného systému specifické měření. Tímto měřením (hovoří se o měření Bellova stavu) dojde díky nelokálnosti kvantové fyziky a společné vlnové funkci k ovlivnění Bobovy částice. Pokud mu klasickou cestou pošleme výsledek našeho měření, bude vědět, jakým způsobem reprodukovat na své části propleteného systému kvantový stav, který mu chceme předat.

Obrázek

K ovlivnění druhé částice z propleteného stavu sice dochází okamžitě, ale reprodukci přenášeného kvantového stavu může kolega provést jedině po obdržení výsledku měření provedeného na první částici propleteného stavu a výsledek se dá posílat nejrychleji rychlostí světla, takže nedochází k přenosu informace nadsvětelnou rychlostí a narušení kauzality. Paradoxem je i to, že kvantový stav, který je odesílán, se na jednom místě interakcí (měřením) zničí, zároveň se ale na místě jiném pomocí druhé částice z původní kvantově propletené dvojice znovu vytvoří. Stále však máme pouze jeden tento stav. Nejde tak provádět klonování kvantových stavů. Kvantové kryptografické kanály neslouží přímo k přenosu tajné informace, ale k výrobě a zároveň distribuci náhodného klíče. Jestliže se Alice s Bobem dokážou na dálku bezpečně domluvit na náhodném klíči potřebné délky, mohou následně použít Vernamovu šifru a poslat tajná data nezabezpečeným kanálem. Šifra má teoreticky zaručit jejich nepodmíněnou bezpečnost. Ovšem praktické implementace stále vykazují bezpečnostní nedostatky. Na ty se zaměřuje i program NSA "Owning the Net". Nyní něco krátce ke dvoum hlavním metodám kvantové kryptografie:

Nejstarším protokolem kvantové kryptografie je BB84, který vytvořil v roce 1984 Charles H. Bennett a Gilles Brassard. O pět let později jej Bennet se svým postgraduálním studentem Johnem Smolinem poprvé uskutečnili v laboratoři. Dnes jsou tyto systémy dostupné i komerčně v cenách kolem sta tisíc dolarů. Tato metoda je poměrně oblíbená, fotony lze přenášet běžným optickým vláknem. Je ale nutné, aby na straně Boba vyšel přesně tentýž foton, který Alice odeslala, takže je vyloučeno použití zesilovačů signálu. To technicky omezuje vzdálenost, na níž lze tuto komunikaci realizovat.
Druhou metodu navrhl v roce 1991 Artur Ekert (1961-) a o rok později ji se spolupracovníky úspěšně vyzkoušel v laboratoři. Využívá stavu kvantové propletenosti (entanglement) dvojice částic. U takové dvojice nemá smysl mluvit o stavu jednotlivých částic, ale pouze společně o stavu dvojice. Měření provedené na jedné z nich nevyhnutelně způsobí kolaps vlnové funkce, jíž je dvojice popsána, což změní stav druhé částice. To se děje bez ohledu na jejich aktuální vzdálenost (EPR paradox). V Ekertově metodě určitý zdroj generuje dvojice fotonů, jejichž spiny jsou ve stavu superpozice stavu nahoru a dolů, ale zároveň jsou díky propletenosti úplně korelované. To znamená, že naměříme-li na jednom fotonu spin nahoru, pak druhý bude mít spin dolů a naopak. Výsledek měření konkrétního fotonu je ale zcela náhodný, nepředvídatelný. Zdroj může být umístěn na straně Boba či Alice či někde úplně jinde, na tom nezáleží. Jeden foton z dvojice je vždy odeslán Alici, druhý Bobovi. Jestliže Alice provede na svém fotonu měření, poznamená si nulu nebo jedničku podle výsledku měření. To bude jeden bit klíče. Bob udělá totéž a ví, že dostal opačný výsledek, takže si poznamená stejnou hodnotu bitu. Tak dojde k vytvoření a výměně celého klíče, který je dokonale náhodný. Někdo ale mohl fotony měřit už po cestě a pokusit se tak o odposlech. Kdyby to udělal, narušila by se kvantová korelace mezi výsledky Alicina a Bobova měření. Začaly by platit klasické Bellovy nerovnosti, které kvantová mechanika porušuje. Tuto změnu je možné zjistit statisticky tak, že Alice a Bob nakonec část vyměněných bitů obětují a veřejně se domluví na výsledcích svých měření. Pokud je pozorováno narušení rovností, je kanál odposloucháván a klíč nemůže být použit. I tato metoda má citelná omezení použitelnosti. Propletený stav fotonů je stavem superponovaným a jako takový brzy podléhá dekoherenci.


V současnosti se výrazně zlepšuje efektivita produkce propletených kvantových stavů i jejich přenosu na stále větší vzdálenosti. Daří se také provádět stále komplikovanější operace na stále složitějších kvantových systémech. Zatím všechny experimenty potvrzují platnost kvantové fyziky a umožňují stále podrobněji studovat její fundamentální vlastnosti i dotýkat se jejich filosofické interpretace. Navíc se stále více blížíme praktickému využití těchto vlastností v kvantových počítačích, výpočtech a z našeho pohledu především kvantové kryptografii (šifrování). Kolem roku 2012 vědci z Číny a Jižní Koreje, slavili úspěch v pochopení oscilací neutrin, které patří do světa kvantové fyziky. Tyto experimenty ukazují možnosti využití propletení kvantových stavů při kvantové teleportaci. Velký potenciál této technologie vidí jak americká DARPA tak i Čína (!) a oba státy jsou na velmi vysoké úrovni, byť jsou tyto výzkumy více méně tajné. Jedná se o velice zajímavý dílek do skládačky bojiště blízké budoucnosti (cca po roce 2030), které je fascinující a děsivé. Představme si laserové zbraně, robotické nebo dálkově řízené letouny 6.generace, mračna levných hloupých mini dronů, hypersonické střely a průzkumné stroje, pěchota v exoskeletech podporovaná pozemními roboty, ať již dálkově řízenými, nebo s pokročilou UI atd. Koncept pozemního boje FCS najednou nevypadá tak šíleně. Někdo se tomu možná směje, že Američané zase fantazírují, ale Čína dělá to samé, jen o tom obě strany moc nemluví. O tom co dělají v Číně většinou víme, až když provedou nějakou zkoušku (viz hypersonické střely atd.). Hodně velký potenciál má i Evropa, a Rusko. Problém Ruska jsou ale finance a pochybuju, že by něco mohli vyměňovat s Čínou, ta má vlastní technologie nejspíš na vyšší úrovni. To že mají problém s výrobou leteckých motorů nové generace není nic zvláštního, s tím mají problém i Rusové. Osobně si myslím, že tenhle závod mezi USA (+Evropa) a Čína (+Rusko) nemůže dopadnout dobře - v lepším případě to bude pat a polarizace světa. Jak Evropa, tak i Rusko, by v tomto konfliktu hrály až druhé housle. Oproti Studené válce bude nejdůležitější oblast Pacifiku. Docela z toho běhá mráz po zádech.

ps. berte tento text s rezervou, v kvantové fyzice se vůbec nevyznám, tak jsem možná něco přehlédl nebo popletl.
Snažil jsem se to nějak polopatisticky přežvýkat a budu moc rád, pokud mě opravíte nebo doplníte.


Zdroje:
http://www.osel.cz/6316-kvantova-telepo ... nosti.html
http://www.gewo.info/agentura/zeilinger.htm
http://gimli.mysteria.cz/kvantovka/teleport.html
https://cs.wikipedia.org