Η κβαντική κρυπτογραφία είναι και πάλι ασφαλής
Θεωρητικά, η λεγόμενη κβαντική κρυπτογραφία παρέχει έναν απόλυτα ασφαλή τρόπο αποστολής πληροφοριών. Στην πράξη, ίσως όχι. Αλλά τώρα οι φυσικοί έχουν δείξει πώς να κλείσουν ένα τεχνολογικό κενό που θα μπορούσε να αφήσει μυστικά ανοιχτά στους κρυφακούς.
Ας υποθέσουμε ότι η Αλίκη θέλει να στείλει στον Μπομπ ένα μυστικό μήνυμα. Στη συνηθισμένη κρυπτογραφία, μπορεί να μετατρέψει το μήνυμα σε δυαδικούς αριθμούς - δηλαδή μια συμβολοσειρά 0 και 1 - και στη συνέχεια να το ανακατέψει συνδυάζοντάς το μαθηματικά με μια άλλη σειρά τυχαίων 0 και 1, που χρησιμεύει ως κλειδί. Στη συνέχεια, ο Bob χρησιμοποιεί αυτό το κλειδί για να αναιρέσει την κρυπτογράφηση και να διαβάσει το μήνυμα. Φυσικά, για να λειτουργήσει το σχέδιο, η Άλις πρέπει να δώσει το κλειδί στον Μπομπ χωρίς να το αφήσει να υποκλαπεί από μια υποκλοπή, την Εύα.
Η κβαντική κρυπτογραφία εισάγει μια συστροφή - κυριολεκτικά. Η Αλίκη περνάει στον Μπομπ το κλειδί κωδικοποιώντας το σε μεμονωμένα φωτόνια, τα οποία μπορούν να πολωθούν οριζόντια για να σηματοδοτήσουν το 0 ή κάθετα για να σηματοδοτήσουν το 1. φωτόνια στον Μπομπ. Αλλά η Alice μπορεί επίσης να περιστρέψει τυχαία τον πομπό της για να στείλει φωτόνια πολωμένα διαγώνια σε συν ή πλην 45° μερικές φορές. Όταν ο πομπός της δεν είναι ευθυγραμμισμένος με τον δέκτη του Bob, η μετάδοση του κλειδιού γίνεται ασαφής:Για παράδειγμα, εάν η Alice στείλει ένα φωτόνιο πολωμένο στις 45° και ο Bob έχει ρυθμίσει τον ανιχνευτή του στον οριζόντιο ή κατακόρυφο προσανατολισμό, τότε σύμφωνα με τους κανόνες του Κβαντομηχανική, ο Bob θα καταγράψει ένα οριζόντιο κλικ με πιθανότητα 50% ή ένα κάθετο κλικ με πιθανότητα 50%. Αυτό δεν είναι πρόβλημα, καθώς μετά τη μετάδοση της ροής φωτονίων, η Alice και ο Bob μπορούν να πουν ο ένας στον άλλο για ποια φωτόνια ήταν ευθυγραμμισμένες οι συσκευές τους και να χρησιμοποιήσουν μόνο αυτά για να ορίσουν το κλειδί.
Όλο αυτό το στρίψιμο κλείνει την Εύα έξω. Η Εύα δεν ξέρει ποιους προσανατολισμούς χρησιμοποιούν η Αλίκη και ο Μπομπ και αν μαντέψει λάθος θα διαταράξει τα φωτόνια με ανιχνεύσιμο τρόπο. Για παράδειγμα, ας υποθέσουμε ότι για ένα συγκεκριμένο φωτόνιο και η Alice και ο Bob έχουν τις συσκευές τους ρυθμισμένες στον οριζόντιο-κατακόρυφο προσανατολισμό, αλλά η Εύα έχει τη δική της ρυθμισμένη στις 45°. Στη συνέχεια, σύμφωνα με την κβαντομηχανική, η μέτρηση του φωτονίου θα αλλάξει την κατάστασή του και θα το αφήσει πολωμένο στις συν ή πλην 45°. Αυτό θα καταστρέψει την τέλεια συμφωνία που θα έπρεπε να δουν η Αλίκη και ο Μπομπ. Αργότερα, όταν συγκρίνουν σημειώσεις, θα εντοπίσουν σφάλματα και θα καταλάβουν ότι κάποιος έχει παραβιάσει τη μετάδοση.
Ωστόσο, το 2010, μια διεθνής ομάδα ερευνητών έδειξε ότι η Εύα μπορούσε να χακάρει το σύστημα εκμεταλλευόμενος μια αδυναμία στις λεγόμενες φωτοδιόδους χιονοστιβάδας (APDs) που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση των μεμονωμένων φωτονίων. Το πρόβλημα είναι ότι τα APD αντιδρούν διαφορετικά σε έντονους παλμούς φωτός από ό,τι σε μεμονωμένα φωτόνια, έτσι ώστε η ενέργεια του παλμού πρέπει να υπερβαίνει ένα όριο για να καταγράψει ένα χτύπημα. Ως αποτέλεσμα, το μόνο που έχει να κάνει η Εύα είναι να ανακόψει τα μεμονωμένα φωτόνια, να κάνει τις καλύτερες μετρήσεις της για τις πόλωσές τους και να στείλει τις απαντήσεις της στον Μπομπ ως νέους, φωτεινότερους παλμούς. Αν μάντευε σωστά και μέτρησε τα φωτόνια με τη συσκευή της στον ίδιο προσανατολισμό με της Αλίκης και του Μπομπ, τότε η συσκευή του Μπομπ θα ερμήνευε τον φωτεινό παλμό ακριβώς όπως ένα μόνο φωτόνιο. Αλλά αν μάντευε λάθος, έτσι ώστε έστειλε στον Μπομπ έναν φωτεινό παλμό του οποίου η πόλωση ήταν διαφορετική σε σχέση με τον προσανατολισμό της συσκευής του, τότε η συσκευή του Μπομπ θα τον χώριζε πραγματικά σε δύο αμυδρά παλμούς. Κανένα από αυτά δεν θα ήταν αρκετά ισχυρό για να κάνει τους ανιχνευτές του Μπομπ να πυροδοτήσουν. Έτσι ο Μπομπ δεν θα προσέξει ποτέ τα γεγονότα στα οποία η Εύα μπέρδεψε την πόλωση των φωτονίων. Και δεν θα παρατηρούσε την απώλεια παλμών, καθώς πολλά φωτόνια δεν φτάνουν ποτέ από την Αλίκη στον Μπομπ ούτως ή άλλως λόγω της αναποτελεσματικότητας του ανιχνευτή.
Πέρυσι, ο φυσικός Hoi-Kwong Lo στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο και οι συνεργάτες του ισχυρίστηκαν ότι βρήκαν έναν τρόπο να ξεπεράσουν το πρόβλημα. Στο νέο πρωτόκολλο, η Alice και ο Bob θα ξεκινούσαν τη δημιουργία ενός κβαντικού κλειδιού στέλνοντας τυχαία πολωμένα σήματα στον Charlie, ένα τρίτο μέρος. Ο Τσάρλι θα μετρούσε τα σήματα για να προσδιορίσει όχι την πραγματική τους πόλωση, αλλά μόνο εάν οι πολώσεις ήταν σε ορθή γωνία. Για παράδειγμα, εάν η Αλίκη έστελνε ένα κατακόρυφο σήμα και ο Μπομπ έστελνε επίσης ένα κατακόρυφο σήμα, ο Τσάρλι θα σήμαινε «όχι». Αλλά αν η Αλίκη έστελνε ένα κατακόρυφο σήμα και ο Μπομπ ένα οριζόντιο σήμα, ο Τσάρλι θα σήμανε «ναι». Μόλις ο Μπομπ άκουγε ένα «ναι», απλώς θα στρίβει το σήμα του κατά 90° για να γίνει το ίδιο με αυτό της Αλίκης - και αυτό θα σχηματίσει το κβαντικό κλειδί. Το κόλπο εδώ είναι ότι ο Τσάρλι απλώς συγκρίνει τις πολώσεις των φωτονίων χωρίς να προσδιορίζει ποιες είναι, έτσι δεν μπορεί να υπάρξει διάσπαση των φωτονίων και σήματα μισής ισχύος. Ως αποτέλεσμα, καμία παραβίαση από την Εύα δεν θα περνούσε απαρατήρητη. Ακόμα κι αν κοίταζε πάνω από τον ώμο του Τσάρλι, θα ήξερε μόνο εάν τα σήματα της Αλίκης και του Μπομπ συσχετίστηκαν — ποτέ οι πραγματικές τους τιμές.
Ο Lo και οι συνεργάτες μόλις παρουσίασαν την ιδέα τους. Τώρα, σε έντυπα που βρίσκονται υπό έκδοση στο Physical Review Letters, δύο ανεξάρτητες ομάδες φυσικών έχουν δείξει ότι το νέο πρωτόκολλο λειτουργεί. Ο Wolfgang Tittel και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο του Calgary στον Καναδά τοποθέτησαν τον ανιχνευτή του Charlie στην κύρια πανεπιστημιούπολη του Calgary, τη γεννήτρια σήματος του Bob σε ένα εργαστήριο 6 χιλιόμετρα μακριά και τη γεννήτρια σήματος της Alice σε ένα άλλο εργαστήριο 12 χιλιόμετρα μακριά. Παρόλο που οι ερευνητές δεν είχαν τον Bob και την Alice να παράγουν τυχαία σήματα όπως απαιτεί η πραγματικά ασφαλής κρυπτογράφηση, έδειξαν ότι οι χρονισμοί και οι μετρήσεις του σήματος μπορούσαν να πραγματοποιηθούν σε τόσο μεγάλες αποστάσεις. Εν τω μεταξύ, ο Jian-Wei Pan στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας στο Χεφέι και οι συνεργάτες του επέδειξαν το πρωτόκολλο κβαντικής κρυπτογράφησης με τυχαία σήματα, αν και μόνο στο εργαστήριο.
Σημαίνει αυτό ότι η κβαντική κρυπτογραφία είναι τελικά ασφαλής; Ο Grégoire Ribordy, Διευθύνων Σύμβουλος της ελβετικής εταιρείας ID Quantique, που κάνει εμπορική κβαντική κρυπτογραφία, λέει ότι τα πρακτικά συστήματα είχαν ήδη ξεπεράσει σε μεγάλο βαθμό το εκτυφλωτικό κενό ρυθμίζοντας συνεχώς τους ανιχνευτές, έτσι ώστε να αντιδρούν πάντα διαφορετικά στα εισερχόμενα φωτόνια. Ένα τέτοιο αντίμετρο καθιστά πολύ δύσκολο για την Εύα να εμποδίσει την ασφάλεια, γιατί θα έπρεπε να προσαρμόζει συνεχώς το δυνατό της φωτεινό σήμα. Αλλά ο Ribordy προσθέτει ότι η επίδειξη του νέου πρωτοκόλλου από τον Tittel και άλλους είναι ευπρόσδεκτη για την ανάπτυξη μελλοντικών συστημάτων:«Η σύντομη απάντηση είναι ότι είναι πολύ ενδιαφέρον — αν και δεν είναι ακόμη αρκετά ώριμο για εφαρμογή, από πρακτική άποψη».
