Niektóre odkrycia naukowe przypominają otwieranie starej szuflady, w której nagle znajduje się coś zaskakująco przydatnego. Zespół z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego właśnie zrobił coś bardzo podobnego. Wziął efekt Talbota, zjawisko opisane jeszcze w 1836 roku, i wstawił je do świata kwantowego szyfrowania, gdzie stawką nie jest już elegancja eksperymentu, ale bezpieczeństwo informacji. Według opisu badań naukowcy stworzyli i przetestowali system kwantowej dystrybucji klucza, czyli QKD, działający w istniejącej miejskiej sieci światłowodowej.
Klasyczne szyfrowanie można porównać do bardzo dobrego zamka, który z czasem może jednak trafić na kogoś z coraz lepszym wytrychem. Kwantowa dystrybucja klucza działa inaczej. Jej siła nie opiera się wyłącznie na tym, że coś jest trudne do złamania, ale na prawach fizyki, które pozwalają wykryć próbę podsłuchu. Zespół z Warszawy pracował właśnie nad takim rozwiązaniem, tyle że zamiast iść najprostszą drogą, postanowił zwiększyć liczbę stanów, w których można kodować informację.
Zamiast dwóch stanów, więcej możliwości
W tradycyjnym QKD często mówi się o kubitach, czyli najprostszych jednostkach informacji kwantowej. To podejście jest dobrze znane, ale ma swoje ograniczenia. Badacze z UW postawili na kodowanie wielowymiarowe, a więc na rozwiązanie, w którym pojedyncze fotony nie są sprowadzane tylko do prostego „zero albo jeden”, „wcześnie albo późno”. Informacja może być zapisywana w bardziej złożonych stanach, co zwiększa efektywność całego systemu. Innymi słowy, zamiast wysyłać dane w formie skromnej, dwudrzwiowej szafy, próbują wykorzystać całą wielopiętrową kamienicę.
Badacze skupili się na tzw. superpozycjach czasowych fotonów. To brzmi jak materiał, który natychmiast chce się zamknąć w sejfie z napisem „fizyka dla cierpliwych”, ale sam pomysł jest całkiem wdzięczny. Foton może nie być po prostu wykryty „wcześniej” albo „później”. Może istnieć jako kombinacja obu tych możliwości, a informacja jest zaszyta w relacji fazowej między impulsami światła. To już nie jest zwykły list wrzucony do skrzynki. To raczej wiadomość, której sens zależy nie tylko od słów, ale też od rytmu, w jakim zostały wypowiedziane.
Efekt Talbota zamienia się w bardzo praktyczne narzędzie
Kluczową rolę odgrywa wspomniany efekt Talbota. W klasycznej optyce chodzi o zjawisko samoodtwarzania się obrazu po przejściu światła przez strukturę periodyczną, na przykład siatkę dyfrakcyjną. W wersji opisanej przez warszawski zespół podobna logika została wykorzystana w czasie, a nie tylko w przestrzeni. Sekwencje impulsów światła, biegnąc przez światłowód, mogą odtwarzać się i nakładać w sposób zależny od fazy. Dzięki temu da się rozróżniać bardziej złożone stany kwantowe. To trochę tak, jakby stary trik optyczny, który przez lata wyglądał jak zgrabna demonstracja dla studentów, nagle dostał etat w cyberbezpieczeństwie.
Nie mówimy o monstrum zbudowanym z egzotycznych części i laboratoriów przypominających scenografię science fiction. Według opisu badań cały eksperymentalny układ powstał z komercyjnie dostępnych komponentów. Co więcej, do rejestrowania superpozycji wielu impulsów wystarcza pojedynczy detektor fotonów, zamiast rozbudowanej sieci interferometrów. To właśnie ten element sprawia, że temat nie kończy się na akademickim „patrzcie, da się”, ale zaczyna ocierać się o pytanie „czy da się to kiedyś wdrożyć szerzej i taniej”.
Mniej skomplikowany odbiornik to różnica między sprytnym pomysłem a technologią z szansą na życie poza laboratorium
W tradycyjnych systemach wykrywanie różnic faz między impulsami wymaga bardziej skomplikowanych układów interferometrycznych, które trzeba bardzo precyzyjnie kalibrować i stabilizować. Warszawski zespół opisuje swoje rozwiązanie jako prostsze w budowie i skalowaniu, a przy tym bardziej zasobooszczędne. To ważne, bo wiele technologii wygląda świetnie na konferencyjnym slajdzie, a później przegrywa starcie z rzeczywistością, w której wszystko musi być jednocześnie tańsze, mniej kapryśne i łatwiejsze do utrzymania.
Oczywiście nie ma tu bajki o wynalazku bez wad. Naukowcy wprost wskazują, że ich metoda wiąże się ze stosunkowo wysokim poziomem błędów pomiarowych. Jednocześnie podkreślają, że nie przekreśla to zastosowania QKD, a analiza bezpieczeństwa, prowadzona we współpracy z badaczami z Włoch i Niemiec, pozwoliła opisać także słabsze punkty protokołu i sposoby ich ograniczenia. To akurat dobry znak. Znacznie bardziej przekonuje technologia, której twórcy mówią wprost o ograniczeniach, niż taka, którą sprzedaje się jak cudowny lek na wszystkie problemy komunikacji.
Badania nie zatrzymały się na wygodnym, sterylnym środowisku laboratoryjnym. System testowano zarówno na światłowodach w laboratorium, jak i w istniejącej sieci światłowodowej Uniwersytetu Warszawskiego na dystansie kilku kilometrów. To drobiazg tylko z pozoru. W nauce przejście z układu „działa na stole” do „działa w realnej infrastrukturze” bywa momentem, w którym wiele pięknych koncepcji zaczyna się chwiać. Tutaj udało się pokazać działanie kodowania dwu- i czterowymiarowego przy użyciu tego samego nadajnika i odbiornika.
W czasach, w których coraz częściej mówi się o przyszłości szyfrowania, komputerach kwantowych i bezpieczeństwie danych, łatwo dać się porwać wielkim hasłom. Tymczasem prawdziwie ciekawe rzeczy często dzieją się właśnie tam, gdzie ktoś bierze starą ideę i znajduje dla niej zupełnie nowe zastosowanie. Zespół z Uniwersytetu Warszawskiego pokazał, że XIX-wieczna optyka może jeszcze mieć sporo do powiedzenia w XXI-wiecznej walce o bezpieczniejszą komunikację. I to jest chyba najładniejsza część tej historii: czasem przyszłość nie przychodzi wcale znikąd. Czasem po prostu wraca do dobrze zapomnianych pomysłów i każe spojrzeć na nie jeszcze raz.
Źródło: Science Daily
