Mecanica cuantică este utilizată în prezent pentru comunicații sigure, prin folosirea de protocoale cuantice care implică utilizarea de qubiţi și de „chei cuantice”. În viitor, se va  ajunge la un internet cuantic - cel puțin pentru transmiterea datelor sensibile, pentru care trebuie garantată securitatea.

Țări precum China sau Statele Unite au deja rețele de transmisie de date care folosesc protocoale cuantice pentru a asigura securitatea datelor transmise. În China, de exemplu, datele sunt transmise între Beijing și Shanghai, deci pe o distanță de 2.032 km, printr-o rețea care utilizează o cheie cuantică pentru criptarea și decriptarea datelor - așa-numita QCD (Quantum Key Distribution). În Statele Unite, Quantum Xchange folosește un protocol similar pentru a transmite date pe o distanță de aproximativ 800 km printr-un cablu optic. Prima parte a acestui cablu transmite date între Manhattan și New Jersey - între centrele de date ale unor mari bănci.


De ce se foloseşte mecanica cuantică, unul dintre pilonii fizicii moderne, și proprietățile sale bizare pentru o viitoare rețea de internet cuantică? Răspunsul este simplu: pentru securitatea comunicațiilor.

Aproape în fiecare zi auzim de hackeri care fură informații privind cardurile noastre bancare; câți dintre noi nu am avut cărțile de credit clonate? În alte situaţii hackerii intră în computerele noastre şi le infectează cu diverse tipuri de viruși sau în conturile noastre de e-mail. Hackerii sunt foarte pricepuţi în furtul informațiilor care circulă pe Internet, întrucât cheile de criptare și decriptare se pot fura. Informația circulă pe rețeaua actuală sub formă de biți: o serie de impulsuri reprezentând 0 sau 1. Hackerii pricepuţi pot copia aceste informații și le pot decripta.

În această situaţie mecanica cuantică, cu proprietățile sale ciudate, reprezintă o posibilă soluție pentru o comunicare cuantică sigură prin intermediul aşa-numiţilor qubiţi. Qubitul reprezintă o suprapunere de 0 și 1, simultan (se bazează pe principiul superpoziţiei stărilor din mecanica cuantică).

Fizica cuantică protejează transmiterea datelor prin qubiţi şi niciun hacker nu va reuşi să „fure” informaţiile, întrucât în momentul în care încearcă să copieze/observe datele, starea va colapsa în 1 sau 0. Ceea ce înseamnă că hackerul a modificat datele, lăsând urme care permit identificarea intruziunii și întreruperea transmiterii datelor.

Cum se transmit însă datele într-o comunicarea cuantică?

În prezent este utilizat un protocol care folosește așa-numita distribuție de chei cuantice (QKD) pentru criptarea datelor. QKD implică o transmisie dublă: datele criptate sunt transmise printr-un canal clasic (folosind biți) în timp ce cheia de decriptare este transmisă folosind qubiţi (un canal cuantic).

Au fost studiate diverse protocoale pentru cheile cuantice, în prezent cel mai utilizat este protocolul lui Charles H. Bennett și Gilles Brassard din 1984, numit BB84.

Să luăm ca exemplu două persoane, Alice şi Bob (numele obişnuite folosite de comunitatea fizicienilor) care vor să facă schimb de date în mod securizat prin protocolul BB84 - cu Alice care vrea să trimită date lui Bob. Alice pregătește o cheie cuantică pentru criptarea datelor, folosind fotoni, în mod concret - starea lor de polarizare. Alice transmite acești fotoni către Bob printr-o fibră optică; întrucât starea cuantică a acestor fotoni (în superpoziție cuantică) este fragilă, pentru unii dintre ei, datorită procesului numit decoerență (adică interacțiune de exemplu cu alte particule), starea va colapsa, acești fotoni nemaifiind utilizabili.

Pentru a se ține cont de acest aspect, va trebui efectuată așa-numita distilare a cheii, care presupune calcularea procentului de eroare la transmiterea cheii (prin compararea datelor dintre Alice și Bob). Dacă acest procent este prea mare înseamnă că este posibil ca un hacker să fi intervenit încercând să fure datele - și, astfel, a modificat starea cuantică a fotonilor, lăsând astfel vizibile și măsurabile, tocmai pentru că rata de eroare creşte peste o anumită limită binecunoscută în BB84. În cazul în care cheia nu este sigură, Alice generează alta, până când Alice și Bob au certitudinea că nimeni nu a interceptat datele și deci comunicarea este sigură. În acest moment Alice poate transmite datele criptate printr-un canal (bit) clasic, iar Biagio continuă să decodeze informația cu cheia cuantică.

Pentru o explicație la îndemână a acestei proceduri - în special a protocolului BB84 și a utilizării acestuia - recomand videoclipul (în engleză):


Protocolul BB84

 

Cum sunt transmise cheile cuantice pe distanţe lungi?


Cu toate acestea, întrucât fotonii sunt absorbiți în cablurile optice, aceștia pot parcurge doar câteva zeci de kilometri - dar, așa cum am spus la început, în China există rețele cu o lungime de peste 2.000 km. Cum este posibil? Se folosesc „repetitoarele cuantice”. În aceste repetitoare, 32 în cazul rețelei dintre Beijing și Shanghai, informaţia cuantică este decriptată în biți și recriptată ulterior în qubiţi, amplificând semnalul până la următorul repetitor.

Evident, acesta este un risc, deoarece hackerii pot fura date atunci când sunt transformate în biți. Ar fi deci nevoie de  repetitoare cuantice: care transformă qubiţii în qubiţi fără a trece prin biți. Chiar dacă se ştie cum ar trebui realizate aceste repetitoare cuantice din punct de vedere teoretic, la ora actuală nu s-a reuşit realizarea unei versiune practice utilizabile – mai este mult de lucru.

Primii pași către o rețea cuantică - care urmează să fie utilizată pentru date sensibile - au fost făcuți, dar drumul este încă lung, iar pentru viitor se lucrează şi la alte modalităţi de transmitere a datelor fără protocolul BB84 - în special utilizând teleportarea; despre asta însă într-un articol viitor.

 

Revoluţia tehnologiei qubiţilor
(subtitrare în lb. engleză)

 

 

Credit imagine: hackernoon.com