Teoretic, legile mecanicii cuantice – în mod particular „teorema ne-clonării” – garantează că orice încercare de a falsifica o carte de credit, factură, monedă sau bun va fi sortită eşecului dacă obiectul este injectat cu informaţie cuantică.
Totuşi, această metodă de securitate este valabilă doar în condiţii ideale, pe când în viaţa reală informaţia cuantică este supusă zgomotului, incoerenţei şi imperfecţiunilor operaţionale, toate acestea determinând apariţia unor portiţe de scăpare pe care utilizatorii necinstiţi le pot exploata. Deoarece este imposibil de a elimina complet aceste imperfecţiuni, fizicienii au dezvoltat într-un nou studiu algoritmi care tolerează o parte din zgomot şi rămân sigure.
Oamenii de ştiinţă de la Institutul Max Planck pentru Optică Cuantică din Garching, Germania, Universitatea Harvard din Cambridge, Massachussetts şi de la Institutul de Tehnologie din California, Pasadena au publicat studiile pentru algoritmi cuantici toleranţi la zgomot într-un număr recent al PNAS.
„Principala noastră contribuţie este aceea de a dovedi că cerinţele fizice pentru a realiza bunuri cuantice ce nu se pot duplica sunt mult mai puţin pretenţioase decât s-a crezut anterior”, a spus Fernando Pastawski, prim-autor şi membru al Institutului Max Planck pentru Optică Cuantică. „Doar înmagazinarea de iniţializare şi măsurarea qubiţilor singulari este de ajuns.”
Noţiunea de monedă este bazată pe presupunerea că este imposibil de duplicat bancnote şi alte obiecte ce reprezintă moneda. Principiul incertitudinii din mecanica cuantică atribuit lui Werner Heisenberg ar putea oferi cea mai bună soluţie pentru a face falsificarea fundamental imposibilă. Patawski şi echipa sa au arătat că acest lucru ar putea fi posibil dacă înmagazinarea stărilor cuantice este imperfectă. Credit: Fernando Pastawski.
Într-o lucrare publicată în 1983, fizicianul Stephen Wiesner a introdus conceptul de „bani cuantici” sau bani care sunt imuni la falsificare, prin folosirea proprietăţilor cuantice. O bancnotă cuantică este codificată cu qubiţi şi nici chiar posesorul banilor nu poate extrage o descriere completă a stărilor cuantice ale qubiţilor. Orice măsurătoare pe care o face posesorul dezvăluie doar o parte din această informaţie, în aşa fel încât este imposibil să se reconstruiască în întregime starea cuantică originală. Cu alte cuvinte, nu se poate face copierea exactă a banilor.
Dacă cineva ar încerca să falsifice o bancnotă cuantică, ar fi, în teorie, aproape întotdeauna prins de un algoritm de autentificare bazat pe comunicare clasică. Totuşi, pentru a tolera zgomotul de rigoare în situaţii reale, procesul de verificare trebuie să permită o mică fracţie de erori ale qubiţilor; aceste standarde flexibile dau o şansă persoanelor necinstite să treacă de algoritmul de autentificare cu bancnote cuantice falsificate.
Pentru a rezolva acest neajuns, fizicienii au dezvoltat în prezentul studiu o nouă clasă de algoritmi de verificare care sunt toleranţi la erorile asociate cu codificarea, înmagazinarea şi decodificarea biţilor cuantici. Unul din algoritmi se concentrează pe nivelele de fidelitate relativă ale unui tichet cuantic contrafăcut şi pe fidelitatea de toleranţă a procesului de verificare. Ei explică faptul că o tentativă de falsificare de succes ar trebui să conţină un număr de qubiţi clonaţi perfect care este mai mare decât numărul cerut de algoritmul de verificare. Dacă protocolul de verificare are nevoie de un număr corect de qubiţi care este mai mare decât cel maxim posibil pentru clonarea optimă a qubiţilor, atunci falsificarea este puţin probabil să reuşească.
„Securitatea este bazată pe cuantificarea a ceea ce poate face cel mai bun falsificator când este restricţionat doar de legile mecanicii cuantice”, a spus Pastawski. „Bunurile frauduloase sunt excluse prin setarea şi mai sus a cerinţelor de verificare. Totuşi, aceste cerinţe de verificare încă lasă loc participanţilor oneşti care sunt supuşi unei cantităţi uşoare de zgomot. Vorbind simplu, putem garanta cu ajutorul mecanicii cuantice că, în medie, nu mai mult de 83% din cifrele secrete pot fi duplicate corect de un falsificator (această valoare este cea mai mare conform teoriei) şi putem presupune că actualele condiţii permit participanţilor oneşti să-şi recupereze corect 95% din cifre. Dacă un verificator necesită 90% din cifre pentru a fi returnate corect, iar numărul de cifre folosit este mare, va fi aproape imposibilă admiterea bunurilor frauduloase sau respingerea celor autentice.”
În al doilea algoritm, cercetătorii au demonstrat o concluzie specifică a unei abordări în care validitatea unui bun cuantic poate fi verificată de la distanţă de către posesorul bunului prin răspunderea la un set de întrebări prin măsurarea stărilor cuantice. În aceste circumstanţe, de la distanţă înseamnă că verificatorul nu trebuie să folosească comunicarea cuantică cu posesorul şi nu trebuie să primească bunul original. Verificarea poate să aibă loc prin intermediul comunicării clasice între verificator şi posesor. Chiar dacă deţinătorul bunului ar trebui să fie capabil să răspundă la fiecare întrebare corect, legile cuantice dictează că există doar o probabilitate exponenţial de mică de a răspunde corect la oricare două întrebări. Prin implementarea acestui algoritm unei situaţii specifice, cercetătorii au arătat că un utilizator necinstit are şanse exponenţial de mici să fie autentificat de două verificatoare independente, pe când un utilizator onest va trece de verificare.
Chiar dacă demonstraţia privind securitatea acestor algoritmi este una complexă, cercetătorii menţionează că ar putea fi posibilă din punct de vedere experimental realizarea algoritmilor folosind tehnologia curentă. Cu toate acestea, atingerea regimurilor de parametri care sunt cu adevărat folositori este încă departe. Timpii de memorie a qubiţilor trebuiesc îmbunătăţiţi până la ordinul zilelor şi numărul qubiţilor controlaţi trebuie să crească la un ordin de sute de mii. Pe de altă parte, unele aplicaţii nu ar avea nevoie de timpi lungi de memorie, iar aceşti algoritmi ar putea fi realizaţi folosindu-se polarizarea fotonilor. Posibile sisteme care ar putea dovedi eficienţa algoritmilor includ: ioni captivi, dispozitive supraconductoare şi spintronice.
Aceşti algoritmi ar mai putea preîntâmpina copierea biletelor pentru concerte sau evenimente sportive de către utilizatorii necinstiţi, ce le-ar putea apoi folosi la intrări separate. Tot la fel, frauda electorală ar putea fi teoretic eliminată dacă fiecărui participant la vot i s-a emis un bun cuantic care ar fi imposibil de duplicat. Totuşi, prevenirea fraudei electorale are alte complicaţii, precum asigurarea anonimatului, ceea ce face această problemă şi mai complexă.
„Algoritmii din studiul nostru sunt mai puţin pretenţioşi, dar au şi mai puţine caracteristici decât propunerile pentru bani cuantici”, a spus Pastawski. „O aplicaţie simplă la care îmi place să mă gândesc este de a avea o asigurare transferabilă privată. Desigur, compania de asigurări nu doreşte să aibă multe copii ale aceleaşi poliţe în circulaţie, deoarece fiecare copie creşte şansa ca ea să fie răscumpărată. Acest lucru poate fi prevenit prin materializarea poliţei într-un bun cuantic. Motivul pentru care m-am gândit la scenariul cu poliţa este că, în medie, o poliţă nu este răscumpărată şi astfel compania de asigurări nu ar avea nici un mod de a şti dacă duplicatele sunt în circulaţie. O licenţă transferabilă dintr-un oarecare program de computer constituie un scenariu asemănător. De obicei nimeni nu controlează astfel de licenţe, dar dacă este controlată, doar deţinătorul legitim ar fi capabil să treacă un astfel de control.”
Patawski a adăugat că aceste aplicaţii vor avea nevoie de mulţi ani pentru a fi realizate.
„Chiar şi o implementare simplificată a acestor algoritmi e cu mult peste puterile tehnologiei actuale”, a spus el. „Protocolul în sine ar putea fi în principiu implementat şi pus în scenă în prezent folosit qubiţi constituiţi din polarizări individuale de fotoni sau spini nucleari individuali. Totuşi, pentru a atinge scări de timp necesare pentru aplicaţii relevante, sunt necesare memorii de qubiţi (dispozitive de memorare bazate pe qubiţi) adecvate, care pot stoca informaţia cuantică pentru timpi mai îndelungaţi şi, mai important, prin folosirea unei tehnologii care este practică pentru aplicaţia respectivă. Am colaborat în cadrul unui proiect pentru a extinde durata de viaţă a unor astfel de memorii la o secundă, ceea ce a reprezentat un record pentru qubiţi individuali la temperatura camerei. Evident că o secundă nu este suficient şi, lăsând la o parte faptul că este vorba de o implementare la temperatura camerei, nu se poate spune că avem de-a face cu condiţii ce pot fi folosite în aplicaţii practice. Cred că vor fi probabil necesari mai bine de 10 ani pentru ca tehnologiile necesare să fie disponibile în practică. Totuşi, eu sper că voi vedea acest lucru realizat pe durata vieţii mele.”
Traducere realizată de Răzvan Gavrilă după Quantum mechanics could make money, credit cards, and tickets immune to fraud, cu acordul Phys.org.
