Тоа беа квантни телекомуникации
Во средината на август 2016 година, кинеска ракета лансираше многу специјален сателит во орбитата, на кој ќе се случат квантни телекомуникациски експерименти.
Иако сателитот е изграден и лансиран од Кина, студиите за квантни телекомуникации се соработка помеѓу кинески и австриски истражувачи: е првиот сателит од овој тип и, ако експериментите се покажат одржливи, тие целосно ќе го променат начинот на циркулација на податоците помеѓу банките, помеѓу различните воени командни центри, па дури и помеѓу нашиот паметен телефон и серверот за пошта.
Принципите на квантната механика, кои се темели на теоријата за квантни комуникации, гарантираат дека идните квантни телекомуникации се безбедни и нема да бидат пресретнувани (од хакери или curубопитни влади), бидејќи секој таков обид ќе ја уништи пораката. Furtherе видиме понатаму зошто тоа е можно само во контекст на квантни телекомуникации.
КВАНТУМСКИ КОМПЈУТЕРИ
Суперпозиција на Шридингер за состојбите и мачката
За да го објасни концептот на суперпозиција на состојбите, германскиот физичар Ервин Шредингер, еден од татковците на квантната механика, го замисли следниот (ментален) експеримент на почетокот на минатиот век.
Мачка, заклучена во челична кутија без прозорци, со доволно резерви на вода и воздух. Внатре во кутијата имаме многу силен отров, затворен во стаклена ампула, но и чекан, подготвен да ја скрши ампулата, поврзан со радиоактивен извор со многу слаба активност. Ако се испушти честичка, чеканот ќе ја скрши ампулата и отровот ќе ја убие мачката. Ако не, мачката е безбедна. Радиоактивниот извор тука се користи само како генератор на случаен број, еден вид руски рулет, не знаеме кога и дали чеканот ќе го скрши шишенцето.
Гледајќи го целиот систем однадвор, никој не може да каже дали мачката е жива или не, бидејќи никој не знае кога се активира чеканот што ја крши ампулата (како што реков, тоа е случајно, може да се активира или не, во даден временски период).
Затоа, системот може да се опише како функција што содржи суперпозиција на состојби, во кои мачката е и жива и мртва. Отворање на полето ќе ни каже во која од двете состојби е мачката и е еквивалентно на намалување на функцијата на бранот на една од двете можни вредности.
Сè повеќе слушаме во последно време како зборуваат за квантни компјутери (прочитајте го интервјуто со романски специјалист на оваа тема) и статиите секогаш стануваат збунувачки и тешко се следат. Не е ни чудо, полето воопшто не е едноставно, ниту квантната механика, теорија лоцирана некаде надвор од нашата секојдневна интуиција и перцепција.
Сè што за сега треба да запомниме е дека имаме работа со промена на парадигмата: ако досега, податоците во класичен компјутер значат една од двете можни состојби (0 или 1), во случај на квантен компјутер, податоците што манипулира со нив се во суперпозиција на состојби и нивната манипулација вклучува квантни концепти, како што е заплеткување честички, особено curубопитна одлика на универзумот во квантна скала.
Значи, ако во класичниот случај компјутерите работат со битови (0 или 1), квантните компјутери работат со таканаречени квабити, кои немаат единствена состојба, туку суперпозиција на состојбите. Оттука, работите се комплицираат брзо и за да се објасни работата на квантен компјутер, потребна е посебна статија, а полето денес е исклучително динамично.
Но, квантните комуникации не бараат квантни компјутери, станува збор за две различни работи.
КВАНТУМСКИ телекомуникации
Ние мора да правиме разлика помеѓу квантните компјутери, кои се компјутерски машини кои работат според некои од правилата на квантната механика и квантните телекомуникации, на кои не им требаат квантни компјутери за да бидат употребливи.
Доколку се докажат дека се широко остварливи, квантните телекомуникации ќе се интегрираат во постојните системи и ќе обезбедат побезбедна алтернатива за пренос на чувствителни податоци. Од друга страна, квантните компјутери во блиска иднина ќе доведат до драматично зголемување на компјутерската моќ, што може брзо да ги ослаби сегашните криптографски методи што се користат денес.
Со цел да се заменат ранливите текови на системот за шифрирање широко користен на Интернет, користејќи ги законите на квантната физика, може да се развие непогрешлив систем, кој не дозволува следење на пренесените податоци. И не станува збор за зголемена тешкотија да се пробие клуч што се користи за криптирање, туку за физичка неможност да се дешифрираат податоците, што произлегуваат од интимните закони на природата, изразени со равенките на квантната механика.
Јавни и приватни клучеви
Во моментов, мрежните комуникации користат асиметричен систем за криптирање. На пример, и пораките што циркулираат помеѓу корисниците на WhatsApp и врската помеѓу прелистувачот и серверот за пошта го користат овој тип на криптирање. За шифрирање на порака со употреба на асиметрична енкрипција, се користат два клуча, математички поврзани едни со други (т.е. еден алгоритам ги генерира и двете).
Да земеме пример за пораки разменети преку апликацијата WhatsApp: алгоритам генерира на телефонот на секој корисник овој пар клучеви: приватен (таен), кој не го остава телефонот и јавен, кој се испраќа до централен сервер, каде што може да се пристапи до него никого Кога Јон сака да и испрати шифрирана порака на Марија, Јон ќе ја избере Марија од својата листа на контакти. Автоматски, апликацијата WhatsApp ја криптира пораката напишана од Јон со помош на јавниот клуч на Марија (достапна за секого, како што реков, така што апликацијата ја презема од сервер). Пораката на тој начин се криптира од телефонот на Јон и ќе го премине интернетот во оваа форма, сè додека Марија.
Ако Михаи ја пресретнува пораката на кој било начин, таа е шифрирана и не може да се чита директно. Единствениот начин да се дешифрира е да се користи приватниот клуч на Марија, кој е на нејзиниот телефон. Значи, пораката може да се дешифрира само кога (и ако) стигне до Мери. Таа одговара и сè се случува на ист начин, но во спротивна насока. Михаи, кој ја пресретнува шифрираната порака, има две опции да ја прочита. Или, ќе се користи компјутер доволно моќен за да се пробие криптирањето, но може да потрае неколку години за да се стори тоа. Не е многу практично.
Втора опција би била поседување на приватниот клуч на Марија, што повторно може да биде тешко доколку таа нема директен пристап до телефонот на Марија. Но, очигледно е дека асиметричниот систем за криптирање има две ранливости: пораката во транзит, дури и ако е шифрирана, може да биде скршена, теоретски, ако напаѓачот има доволно ресурси (компјутерска моќ и време) или напаѓачот може да добие раце приватни клучеви.
Но, пред да видиме како ова може да се случи, да видиме што значи систем за дистрибуција на квантен клуч. Тековниот широко користен систем за шифрирање користи спарен клучен систем, и јавен и приватен, но идниот квантен телекомуникациски систем ќе го поедностави ова: шифрирањето ќе се одвива со користење на еден клуч, кој ќе биде споделен помеѓу корисниците.
Дали е ова безбедно? Изненадувачки, но да, тоа е, благодарение на квантната физика. Клучот е генериран од квантен процес кој генерира случајно поларизирани фотони и не е ништо повеќе од низа начини за нивно поларизирање. Вистински случајна серија, која може да се добие само преку квантен процес, важен аспект за да се генерира уникатен клуч секој пат.
Квантна заплетканост
Исто како што макроскопските тела имаат различни мерливи својства, како што се маса, импулс, форма или боја, квантните ентитети, како што се честичките, исто така имаат свои физички својства, кои понекогаш имаат смисла во макроскопскиот свет на кој сме навикнати (маса, импулс ), но други пати тие се специфични за квантниот свет (спин, поларизација) и можат да се приближат само со она што го среќаваме на дневна скала (спинот е еден вид кинетички момент, но до одредена точка).
Сега замислете квантен систем што произведува две (или повеќе честички, но за едноставност ќе користиме само две честички). Квантна заплетканост е феномен со кој добиениот систем не може да се опише независно од составните честички, кои се донекаде поврзани едни со други, без оглед на растојанието помеѓу нив, и кое само заедно може да ја опише целосната состојба на добиениот систем.
Друг начин да се види квантната заплетканост е тоа што со мерење на параметрите на една од добиените честички, индиректно можеме да ги најдеме вредностите на параметрите на другата честичка, дури и ако двете честички се оддалечени стотици или илјадници километри и не комуницираат едни со други.
Така добиените фотони се дистрибуираат до корисниците (да претпоставиме дека има само двајца корисници, за да се поедностави објаснувањето). Тука доаѓаат два аспекти поврзани со квантниот свет: не-клонирачката теорема и квантната заплетканост. Нема да навлегуваме во здодевни детали, но мора да се каже дека поларизираните фотони во таква низа не можат едноставно да се копираат или клонираат.
Ако се обиде тоа, се менува нивната поларизација. Бидејќи обидот да се измерат својствата на квантен систем ги менува неговите параметри. Ова е она што го вели теоремата за не-клонирање и е поврзана со принципот на несигурност изнесен од Вернхер Хајзенберг. Со оглед на тоа дека имаме двајца корисници и дека секој од нив доби копија од клучот, користејќи го квантниот заплет, можевме да откриеме дали е изменето едно од клучевите или не.
Ако е изменето, тоа значи дека некој се обидел да го пресретне, се смета за компромитиран и се генерира нов клуч. Клучот, кој сега го поседуваат и двајцата корисници кои се сигурни дека не бил пресретнат, може да се користи за шифрирање на пораките. Зарем не е едноставно? Начинот на кој се споредуваат двата клуча е доста сложен, но сепак е практично изводлив.
Сега има некои проблеми. Извршени се експерименти со фотони меѓусебно поврзани со феноменот на квантно заплеткување, но се покажа дека тој работи само на растојанија помали од 100 км. И, немој да мислиш дека квантните телекомуникации и припаѓаат на иднината, првиот ваков обид надвор од лабораториите се случи веќе во 2004 година, кога во Виена се случи банкарски трансфер од 3.000 евра, користејќи механизми за квантно криптирање.
Во моментов, постојат компании кои продаваат квантни телекомуникациски системи на теренот, преку оптички влакна, но тие се одвиваат на релативно кратки растојанија. Ако експериментите на сателитот се успешни, тие наскоро ќе станат широко достапни и оддалечени илјадници милји.
Лансирање на сателитот Мози
Лансирањето на кинескиот сателит се случи на 15.08.2016 година, во 20:40 часот, на лансирната рампа LC43 на вселенскиот комплекс uикуан. Сателитот е тежок 500 килограми и го носи името на кинескиот филозоф кој живеел 5 века п.н.е. Мози (исто така познат како Мо Ди или латинизиран како Мициус), но понекогаш печатот на Западната хемисфера го нарекува сателитот Квантен вселенски сателит или QSS.
Ракетата употребена за ова лансирање, Чангженг 2Д, има две фази и од првиот лет во 1992 година има 29 лансирања, сето тоа успешно. Овој модел често се користи за поставување полнежи во хелиосинхрона орбита. Може да искачи 3,5 тони во ниска орбита на Земјата, додека хелиосинхрона орбита може да носи максимум 1,3 тони. Предноста на хелиосинхроната орбита е тоа што сателитот поминува преку фиксна точка на површината на Земјата секој ден точно во исто време, што понекогаш е важно во мисиите за метеоролошки надзор или шпионажа.
Ракетата е изведена од Changzheng 4, првата фаза (скоро 28 метри) е практично идентична со неа и се напојува со мотор YF-21C, кој гори хидразин и азот тетраоксид. Втората фаза, долга 10,9 метри, користи мотор YF-24C и има дијаметар од 3,35 метри. Поради токсичното гориво, Кина ќе го замени целото семејство на мотори со Changzheng 5, 6 и 7, дизајнирани да бидат поефикасни и да користат помалку токсично гориво.
Сателитот Мози е развиен и лансиран од Кинеската академија на науките (CAS). До неодамна, во Кина само војската и Министерството за индустрија, информации и технологија имаа пристап до ракети и имаа одобрување за лансирање сателити, но неодамна оваа политика беше олабавена за да им се овозможи на научниците подиректен пристап до вселената. Така, Мози е втор сателит лансиран од CAS, по истражувачот на мрачни честички (DAMPE), лансиран во декември 2015 година, за проучување на темната материја.
Кинескиот сателит Мози тестира дали е можно овој имот да се користи на десет пати поголеми растојанија. Ако ова успее, во блиска иднина некои такви сателити ќе можат да формираат мрежа што ќе ги направи таквите квантни клучеви достапни за заинтересираните корисници. Нема да биде лесно, бидејќи сигналот ќе наиде на низа атмосферски турбуленции или бучава во позадина на патот помеѓу сателитот и станиците за прием на земјата, бидејќи истражувањето се надева дека ќе може да го користи сателитот како реле за дистрибуција на квантен клуч помеѓу Виена и Пекинг.
Квантниот клуч генериран на сателитот ќе биде соопштен до копнените станици во Виена и Пекинг, кои ќе можат да го користат за криптирање пораки што подоцна можат да ги пренесат преку класичните канали (Интернет). Клучот не може да се пресретне без да се уништи кога се пренесува од сателитот, така што криптирањето е безбедно и шифрираната порака може да циркулира јавно без страв од декрипција.
Експериментите извршени на сателитот не застануваат тука. Mozi е првиот сателит способен за телепортирање на фотони. Да, квантна телепорт, на рекордно растојание од 1.000 километри. И ова се случува, случајно, дури и во годината во која Starвездени патеки слават половина век од емитувањето на првата епизода.
ИДНИНА НА КРИФИКИРАНИТЕ КОМУНИКАЦИИ?
Убеден сум дека ќе бидеме сведоци на револуција во енкрипцијата на податоците во следните години. Со зголемувањето на достапната компјутерска моќ, ова ќе биде неопходност, со цел да се чува доверлива огромната количина на податоци што циркулираат на Интернет секој ден. САД, Европа и Кина инвестираат огромни ресурси во квантни комуникации, а првите корисници најверојатно ќе бидат припадници на војската и финансиите, а подоцна ќе им бидат достапни на масата корисници.