Η νέα εποχή στην ασφαλή επικοινωνία

Πριν από δύο δεκαετίες είχαμε μόλις ξεκινήσει να εξοικειωνόμαστε με την ιδέα μιας κινητής συσκευής με την οποία μπορούμε να επικοινωνούμε στο άλλο άκρο της Γης. Σταδιακά και χωρίς καλά-καλά να το καταλαβαίνουμε το σήμα επεκτάθηκε στις πλέον δυσπρόσιτες περιοχές, η επικοινωνία έγινε πιο ασφαλής και σταθερή και η συσκευή μας μετατράπηκε σε έναν μικρό πομπό ο οποίος μπορεί να στέλνει και να λαμβάνει δεδομένα από δορυφόρους για να περιπλανιόμαστε χωρίς να χανόμαστε σε μια άγνωστη πόλη.

Τώρα έρχεται η ώρα να μπούμε διστακτικά στο επόμενο στάδιο: σε αυτό όπου στην επικοινωνία να κυριαρχούν οι νόμοι της κβαντομηχανικής!

«Κλειδαριά»
από κβάντα

Πρόσφατα, με δημοσίευσή τους στην επιστημονική επιθεώρηση «Nature», επιστήμονες με βάση το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας παρουσίασαν τα αποτελέσματα έρευνάς τους κατά την οποία τελειοποίησαν ένα σύστημα στο οποίο ένα κρυπτογραφημένο μήνυμα αποστέλλεται μεταξύ δύο επίγειων σημείων τα οποία απέχουν το ένα από το άλλο 1.120 χιλιόμετρα, με το μήνυμα να είναι σφραγισμένο με ένα κλειδί «σμιλεμένο» στη γλώσσα των κβάντων – κάτι που σημαίνει ότι η παραμικρή κακόβουλη παρέμβαση μπορεί να γίνει αντιληπτή.

Επικοινωνήσαμε με έναν εκ των επικεφαλής της δημοσίευσης, τον δρα Γίαν-Γουέι Παν, τον επιστήμονα τον οποίο η επιστημονική επιθεώρηση «Nature» χαρακτήρισε το 2017 «πατέρα των κβάντων», κατατάσσοντάς τον στους δέκα επιστήμονες με τη μεγαλύτερη συμβολή στην επιστήμη εκείνο το έτος, ο οποίος μας περιέγραψε με λίγα λόγια τη σημασία των ευρημάτων του ίδιου και των συναδέλφων του στο πεδίο των κβαντικών τηλεπικοινωνιών.

Συζευγμένα
φωτόνια

Ας δούμε όμως με περισσότερες λεπτομέρειες την τεχνολογία αυτή, την οποία οι επιστήμονες ονομάζουν «Κβαντική Διανομή Κλειδιού» (Quantum Key Distribution). Η συγκεκριμένη τεχνολογία επιτρέπει σε δύο συσκευές να παράγουν από κοινού και να μοιράζονται ένα μοναδικό κλειδί, το οποίο αποτελείται από φωτόνια τα οποία βρίσκονται σε σύζευξη, αλληλεπιδρούν δηλαδή ανεξαρτήτως της μεταξύ τους απόστασης. Το κλειδί αυτό χρησιμοποιείται από τις συγκεκριμένες συσκευές για να κρυπτογραφήσουν και να αποκρυπτογραφήσουν ένα μήνυμα το οποίο ανταλλάσσουν μεταξύ τους μέσω οπτικών ινών.

Το σαφές πλεονέκτημα της τεχνολογίας αυτής είναι ότι εάν κάποιος επιχειρήσει να παρέμβει στην επικοινωνία μεταξύ των δύο συσκευών, το σύστημα διαταράσσεται άμεσα και ως εκ τούτου οποιαδήποτε παρέμβαση γίνεται άμεσα αντιληπτή. Οι επιστήμονες έχουν ορίσει ένα αποδεκτό όριο παρεμβάσεων το οποίο θεωρείται αβλαβές αφού ενδέχεται να προέρχεται και από περιβαλλοντικούς παράγοντες. Οταν αυτές όμως περάσουν το επιτρεπτό όριο το ξεκλείδωμα της πληροφορίας καθίσταται αδύνατο. Μέχρι πρότινος οι επιστήμονες είχαν επιτύχει η επικοινωνία με αυτή την τεχνολογία να επιτυγχάνεται μεταξύ συσκευών οι οποίες βρίσκονται αμφότερες στη Γη σε απόσταση μέχρι και 100 χιλιομέτρων ή μεταξύ μιας επίγειας συσκευής και ενός δορυφόρου τα οποία απέχουν μεταξύ τους 1.000 χιλιόμετρα. Στην πρόσφατη δημοσίευσή τους οι ερευνητές παρουσίασαν τις βελτιώσεις ενός συστήματος του οποίου ο τρόπος λειτουργίας στηρίζεται στην κβαντική διανομή κλειδιού, πετυχαίνοντας ασφαλή και σταθερή επικοινωνία μεταξύ δύο επίγειων συσκευών οι οποίες βρίσκονται σε απόσταση 1.120 χιλιομέτρων.

Η συμμετοχή
του δορυφόρου

Αυτό έγινε εφικτό επειδή στην παραγωγή του μυστικού κλειδιού μεταξύ δύο επίγειων συσκευών διαμεσολάβησε ένας δορυφόρος. Καθώς ο δορυφόρος περνάει πάνω από τις συσκευές οι οποίες βρίσκονται στο έδαφος της Γης, παράγει ένα κλειδί που αποτελείται από ζεύγη συζευγμένων φωτονίων. Μερικά φωτόνια κατευθύνονται στη μία συσκευή, ενώ το ταίρι τους κατευθύνεται στην άλλη, ως εκ τούτου κάθε συσκευή έχει ένα μέρος του μοναδικού κλειδιού. Εχοντας λάβει φωτόνια τα οποία βρίσκονται ήδη σε σύζευξη, οι δύο συσκευές μπορούν να επικοινωνήσουν μεταξύ τους ακόμη και σε μεγάλη απόσταση κάνοντας εφικτό τον διαμοιρασμό ενός κοινού μυστικού κλειδιού. Με αυτόν τον τρόπο, ο δορυφόρος διαμεσολαβεί στην επικοινωνία των δύο συσκευών χωρίς να γνωρίζει το μήνυμα το οποίο αυτές μεταφέρουν. Αυτό παρέχει μία άνευ προηγουμένου ασφάλεια στη μεταφορά ενός μηνύματος μεταξύ δύο συσκευών.

Σε προηγούμενες προσπάθειες της ερευνητικής ομάδας, το μυστικό κλειδί μεταφερόταν μέσω οπτικών ινών από τη μία συσκευή στην άλλη, κάτι που όμως συναντούσε δυσκολίες αφού η «αλληλουχία» των φωτονίων του κλειδιού χανόταν κατά τη μεταφορά. «Η απώλεια των φωτονίων αυξάνεται εκθετικά με την αύξηση της απόστασης» εξηγεί στο ΒΗΜΑ-Science ο ερευνητής Γίαν-Γουέι Παν αναφερόμενος στην απευθείας επικοινωνία δύο συσκευών με την τεχνολογία κβαντικής διανομής κλειδιού. «Ετσι, είναι εξαιρετικά δύσκολο να επιτύχουμε κβαντική επικοινωνία σε μεγάλες αποστάσεις. Σε προηγούμενες απόπειρες καταφέραμε σε πραγματικές συνθήκες να διαμοιράσουμε κβαντικά κλειδιά μεταξύ δύο συσκευών οι οποίες απείχαν 100 περίπου χιλιόμετρα. Σε μερικές περιπτώσεις χρησιμοποιήθηκαν ενισχυτές για να μπορέσουμε να μεταδώσουμε το σήμα σε μεγαλύτερη απόσταση. Ωστόσο, οι ενισχυτές αυτοί χρειάζεται να είναι απόλυτα ασφαλείς και συνεχώς προστατευμένοι από παρεμβάσεις. Στην παρούσα έρευνα καταφέραμε να διασφαλίσουμε ασφαλή κβαντική κρυπτογραφία μεταξύ δύο επίγειων σημείων τα οποία βρίσκονται σε απόσταση 1.120 χιλιομέτρων, χρησιμοποιώντας έναν δορυφόρο ως πηγή συζευγμένων φωτονίων. Με αυτόν τον τρόπο η ασφάλεια είναι εγγυημένη, ακόμη κι αν ο δορυφόρος ελέγχεται από έναν εχθρό» σημειώνει ο ερευνητής.

Η μέθοδος πίσω από το σύστημα

Στην έρευνά τους, η οποία χαρακτηρίζεται ως ορόσημο στο πεδίο, επιστήμονες με επικεφαλής τον Γίαν-Γουέι Παν (φωτογραφία) είχαν θέσει τις βάσεις της διαμεσολάβησης ενός δορυφόρου στην παραγωγή κλειδιού μεταξύ δύο επίγειων συσκευών. Στην πρόσφατη δημοσίευση οι ερευνητές περιγράφουν τον τρόπο με τον οποίο τελειοποίησαν το σύστημα καθιστώντας το πιο σταθερό και ασφαλές.

Λύσεις σε δύο ανοιχτά ζητήματα

Το πεδίο των κβαντικών τηλεπικοινωνιών είναι άμεσα συνυφασμένο με την ανάπτυξη του κβαντικού διαδικτύου, στο οποίο οι πληροφορίες θα ανταλλάσσονται με κβαντικά μπιτ, ή αλλιώς qubit. «Η κβαντική φυσική προτείνει λύσεις για δύο ανοικτά ζητήματα τα οποία ανέκαθεν προσπαθούσαμε να τελειοποιήσουμε: την υπολογιστική ισχύ και την ασφάλεια των δεδομένων. Από τη στιγμή που όλες οι παραδοσιακές μέθοδοι κρυπτογράφησης, οι οποίες βασίζονται στην υπολογιστική πολυπλοκότητα, μπορούν να παραβιαστούν από τους κβαντικούς υπολογιστές, το κβαντικό διαδίκτυο θα αναπτυχθεί εκ των πραγμάτων ώστε να διασφαλίσει την ιδιωτικότητα» σημειώνει ο ερευνητής Γίαν-Γουέι Παν.
Η πρόκληση να αξιοποιήσει κανείς τους νόμους της κβαντικής φυσικής προς όφελος του ανθρώπου είναι μεγάλη, κι αυτό είναι ένα από τα σημεία τα οποία συναρπάζουν τον μεγάλο ερευνητή. «Το συναρπαστικό στην επιστήμη είναι ότι μας βοηθά να κατανοήσουμε τον φυσικό κόσμο καλύτερα» σημειώνει κλείνοντας ο καθηγητής, συμπληρώνοντας ότι «η κβαντική μηχανική περιγράφει μία εικόνα του μικροσκοπικού κόσμου η οποία είναι τελείως διαφορετική από την εμπειρία την οποία αποκτούμε στην καθημερινή ζωή. Αυτό είναι ένα σημείο το οποίο κίνησε το ενδιαφέρον μου και με οδήγησε στην ενασχόληση με την έρευνα στο πεδίο της κβαντικής φυσικής».