Η κβαντική κλωνοποίηση πλησιάζει το όριο τελειότητας της

Από σελίδα του NewScientist, 29 Μαρτίου 2002

Ένα νέο πείραμα έχει φέρει τη "κβαντική κλωνοποίηση" στο τέλος του θεωρητικού ορίου της πιστότητας της. Η διαδικασία της αντιγραφής εις διπλούν της πληροφορίας που βρίσκεται στα υποατομικά συστήματα, αποτελεί αυτήν την περίοδο τον πιο αποτελεσματικό καταληπτό τρόπο της αποκωδικοποίησης, μερικών από των πιό πρόσφατων κρυπτογραφικών τεχνολογιών.

Τα σωματίδια όπως τα φωτόνια και τα ηλεκτρόνια έχουν κβαντικές ιδιότητες που, σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας, δεν μπορούν ποτέ να αντιγραφούν ακριβώς εκτός και αν καταστρέψετε το αρχικό στη διαδικασία της αντιγραφής. Αυτή είναι η βάση του κβαντικού συστήματος κρυπτογραφίας - ένας ωτακουστής δεν μπορεί να αντιγράψει το μήνυμά σας χωρίς να   αναστατώσει και να θέσει έτσι συναγερμό με την παρουσία τους.

Αλλά ο Dik Bouwmeester, του Κέντρου για τον Κβαντικό Υπολογισμό του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης , λέει: "Το 1997 κάποιοι άρχιζαν να ρωτάνε πως μπορούν στην πράξη να αντιγράψουν μια κβαντική κατάσταση - αυτή τη διαδικασία, του να γίνουν άριστα αντίγραφα των κβαντικών καταστάσεων, που καλείται 'κβαντική κλωνοποίηση'".

Το θεωρητικό όριο ακρίβειας της αντιγραφής των κβαντικών πληροφοριών - όπως η κατεύθυνση της πόλωσης ενός μοναδικού φωτονίου - είναι πέντε έκτα, ή 83 τοις εκατό. Ο Bouwmeester είναι μέρος μιας ομάδας που καθοδηγείται από τον Antia Lamas-Linares στην Οξφόρδη που αναφέρει στο περιοδικό Science, ότι έχουν αντιγράψει επιτυχώς τη κβαντική κατάσταση ενός φωτονίου με 81 τοις εκατό ακρίβεια.

Εξαναγκασμένη εκπομπή

Η ομάδα κλωνοποίησε τη κατάσταση ενός φωτονίου χρησιμοποιώντας την ίδια φυσική διαδικασία στην οποία βασίζονται τα λέιζερ -- την εξαναγκασμένη εκπομπή. Οι ερευνητές έστειλαν μοναδικά φωτόνια σε ένα κρύσταλλο του οποίου οι ατομικές καταστάσεις είχαν διεγερθεί από τους παλμούς ενός λέιζερ. Όταν το αρχικό φωτόνιο εισαχθεί σε αυτό το περιβάλλον, η παρουσία του υποκινεί την εκπομπή ενός όμοιου φωτονίου, δηλαδή τον κλώνο του.

Εντούτοις, το αρχικό φωτόνιο αναγκάζει επίσης τον κρύσταλλο να εκπέμψει αυθόρμητα φως - που αποτελεί το θόρυβο που αποτρέπει οποιαδήποτε προσπάθεια κλωνοποίησης με πιστότητα 100 τοις εκατό στην κβαντική κλωνοποίηση.

Ο Richard Hughes του Εθνικού Εργαστηρίου Los Alamos στις ΗΠΑ όμως είπε ότι στο έγγραφο, το αποτέλεσμα του Lamas-Linares δεν καθιστά το κβαντικό σύστημα της κρυπτογραφίας καθόλου λιγότερο αδιαπέραστο στους ωτακουστές. Η αντιγραφή μιας κβαντικοποιημένης μετάδοσης με την απόδοση του πέντε-έκτα δεν είναι η ίδια με την αποκωδικοποίηση πέντε γραμμάτων από κάθε έξι γράμματα στο μήνυμα.

Εφ' όσον τα δύο επικοινωνούντα μέρη (η Alice και ο Bob) υποθέτουν ότι οποιοσδήποτε πιθανός ωτακουστής (η Eve) μπορεί να κάνει κβαντική κλωνοποίηση, τότε η Alice και ο Bob πρέπει ακόμα να αυξήσουν τα μαθηματικά τεχνάσματα για να ενισχύσουν τη μυστικότητα του μηνύματός τους, ώστε να φθάσουν πάνω από τη δυνατότητα της Eve να το αποκωδικοποιήσει.

Κανένα όριο

Εντούτοις, ο Hoi-Kwong Lo του κβαντικού υπολογισμού και  κρυπτογραφίας της εταιρείας Magiq Technologies, λέει ότι το αποτέλεσμα του Lamas-Linares   τον βάζει να σκεφθεί: "Μπορούν να γίνουν πολλές επιθέσεις εναντίον στα κρυπτογραφικά κβαντικά συστήματα, εφικτές με την σημερινή και την αυριανή τεχνολογία, αλλά που μπορούν να μην είναι προφανείς ακόμη και στους εμπειρογνώμονες."

"Είναι πάρα πολύ δύσκολο να δοκιμασθεί να αυξηθεί το ποσοστό της ασφάλειας της παρούσας ή της εγγύς μελλοντικής τεχνολογίας," προσθέτει. "Επομένως, το πιό απλό είναι να κάνεις ότι ο ωτακουστής δεν μπορεί να κάνει τίποτα που να είναι σύμφωνο με την κβαντομηχανική."

Ο Hughes συμφωνεί ότι η θεωρητική ασφάλεια εναντίον σε μια επίθεση των κλώνων σημαίνει λίγα σε κάποιον που στηρίζεται σε ένα κβαντικό κρυπτο-σύστημα. Επαγγελματίες κρυπτογράφοι θα θελήσουν κάποτε να δουν ότι οι διαβεβαιώσεις που δίνονται από τους φυσικούς είναι αληθινές στην πράξη, λέει.

Κβαντική κρυπτογραφία

Το κβαντικό σύστημα κρυπτογραφίας είναι μια επέκταση της κβαντικής επικοινωνίας δεδομένου ότι στέλνει τα σωματίδια χρησιμοποιώντας την κβαντική τηλεμεταφορά. Τα σωματίδια κωδικοποιούνται σε κβαντικές καταστάσεις και στέλνονται στο δέκτη όπως στην κβαντική επικοινωνία. Οι καταστάσεις αντιπροσωπεύουν τις κωδικοποιημένες πληροφορίες που μπορούν  να υποβληθούν σε επεξεργασία  και να γίνουν κατανοητές μόνο από αυτόν που τις λαμβάνει στο τέλος. Εάν ένας άλλος παρατηρητής προσπαθήσει να εξετάσει τις πληροφορίες που στέλνονται, πρέπει να ξέρει το σχέδιο κωδικοποίησης, επειδή η μετάδοση καταστρέφεται μόλις παρατηρηθεί.

Πρόσφατα πειράματα δείχνουν ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί η αλληλεξάρτηση, η πεπλεγμένη κατάσταση των σωματιδίων, για την αποτελεσματική κρυπτογράφηση τραπεζικών κωδικών ή διπλωματικών επικοινωνιών.

Η κβαντική κρυπτογραφία θα δώσει τη δυνατότητα σε δύο σταθμούς να επικοινωνούν χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες των αλληλεπιδρώντων σωματιδίων. "Το σημαντικό προσόν της κβαντικής κρυπτογραφίας είναι ότι δεν χρειάζεται κανείς να ανησυχεί για το σπάσιμο των κωδίκων. Οι μόνοι περιορισμοί δημιουργούνται από τους νόμους της κβαντομηχανική", λέει ο Αμερικανός καθηγητής Πολ Κουάιατ.

Για την ανάπτυξη του νέου αυτού συστήματος χρησιμοποιήθηκαν πεπλεγμένα σωματίδια φωτός (φωτόνια) για τη δημιουργία κρυπτογραφικών κωδικών. Η ομάδα του καθηγητή Τόμας Γενεβίν, στη Βιέννη, κατασκεύασε σύστημα που παράγει μεγάλο αριθμό κβαντικών κωδικών σε ελάχιστο χρόνο, τους οποίους χρησιμοποιεί στη συνέχεια για να κρυπτογραφήσει τη δυαδική ακολουθία μηδενικών και μονάδων που απαρτίζουν μία ψηφιακή φωτογραφία.
Η κρυπτογραφημένη φωτογραφία στάλθηκε μέσω κοινού δικτύου υπολογιστή σε άλλον υπολογιστή ο οποίος την αποκρυπτογράφησε. Η ομάδα του καθηγητή Κουάιατ κατάφερε μάλιστα να εντοπίσει συσκευή που είχε παρεμβληθεί στο σύστημα ώστε να προσομοιώνει μηχανισμό παρακολούθησης.