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 2032 km, printr-o rețea care utilizează o cheie cuantică pentru criptarea și decriptarea datelor – așa-numita QCD (Quantum Key Distribution). In 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 banci.

De ce se foloseste mecanica cuantică, unul dintre pilonii fizicii moderne și proprietățile sale bizare pentru o viitoare rețea de internet cuantică? Raspunsul este simplu: pentru securitatea comunicațiilor. Aproape în fiecare zi auzim de hackeri care fură informații din cartile noastre de credit; câți dintre noi nu am avut cărțile de credit clonate? În alte situatii hackerii intră în programele de pe computerele noastre si le infectează cu diverse tipuri de viruși sau în e-mailurile și conturile noastre. Hackerii sunt foarte priceputi în furtul informațiilor care circulă pe internet intrucat cheile de criptare și decriptare se pot fura. Informația circulă pe rețeaua actuala sub formă de biți: o serie de impulsuri reprezentând 0 sau 1. Hackerii priceputi pot copia aceste informații și le pot decripta.

In aceasta situazione mecanica cuantică cu proprietățile sale ciudate reprezintă o posibilă soluție pentru o comunicare cuantică sigură prin intermediul așa-numitilor qubits. Qubitul reprezintă o suprapunere de 0 și 1, simultan (se bazează pe principiul superpozitiei starilor din mecanica cuantica).

Fizica cuantica protejează transmiterea datelor prin qubits si nici un hacker nu va reusi sa „fure” informatiile, intrucat in momentul in care incearca sa copieze/observe datele starea va colapsa in 1 sau 0. Ceea ce înseamnă că hackerul a modificat datele, lăsând urme care permit identificarea intruziunii și întreruperea transmiterii datelor.

Cum se transmit insa datele intr-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 qubiti (un canal cuantic).

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

Dam exemplul a două persoane, Alice si Bob (numele obisnuite folosite de comunitatea cuantică) că vor să facă schimb de date în mod sigur prin protocolul BB84 – cu Alice care vrea să trimită date lui Bob. Alice pregătește o cheie cuantică pentru criptarea datelor, folosind fotoni, în mod specific 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 decoență (adică interacțiune de exemplu cu alte particule), starea va colapsa, acești fotoni nemaifiind utilizabili.

Pentru a se ține cont de acest aspect, va trebui efectuata așa-numita distilare a cheii, care implică 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 cuantica a fotonilor, lăsând astfel vizibile și măsurabile, tocmai pentru că rata de eroare creste peste o anumită limită binecunoscută în BB84. Daca cheia nu este sigură, Alice generează alta, până când Alice și Bob nu 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):

https://www.youtube.com/watch?v=UVzRbU6y7Ks

Cu toate acestea, întrucât fotonii sunt absorbiți în cablurile optice, aceștia pot parcurge doar câțiva zeci de kilometri – dar, așa cum am spus la început, în China există rețele cu o lungime de peste 2000 km. Cum este posibil? Se folosesc „repetitoarele cuantice”. În aceste repetioare, 32 în cazul rețelei dintre Beijing și Shanghai, informatia cuantica este decriptata în biți (clasicei și recriptata ulterior în qubiti, 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 qubitii în qubiti fără a trece prin biți. Chiar daca se stie cum ar trebui realizate aceste repetitoare cuantice din punct de vedere teoretic, la ora actuala nu s-a reusit 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 lucreaza si la alte modalitati de transmitere a datelor fara de BB84 – în special utilizand teleportarea; despre asta insa intr-un articol viitor.

 

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi colaborator al Scientia.ro

Te-ar putea interesa și: