5. november 2021

Fremtidens kvanteinternet og 100% ubrydelig kryptering

KVANTEFYSIK:

I det moderne samfund finder man kryptering alle steder. Hver gang du sender en mail, logger ind på sociale medier eller bestiller en pizza, vil den data du sender og modtager blive krypteret, så kun du og eventuelle modtagere er i stand til at tilgå den data du sender. Men der benyttes også kryptering i vital infrastruktur, som hospitaler, elnettet og vandforsyning. Både på et personligt og samfundsmæssigt plan er kryptering altså vigtigt for vores samfund.

Prof. Peter Lodahl og prof. Anders S. Sørensen
De to NBI professorer Peter Lodahl og Anders S. Sørensen arbejder tæt sammen - her foran tavlen, hvor det hele begynder. Anders S. Sørensen er teoretiker, og de diskuterer hvordan man kan udføre en given handling, som Peter Lodahl og hans studerende udfører eksperimentelt i laboratoriet.

Kvantecomputere og kryptering

Det der foregår i den usynlige kvantemekaniske verden, det er så ulig det vi kender fra vores synlige verden. Det er som at kigge ind i en underverden i en science-fiction film grebet ud af den vildeste fantasi, hvor fænomener som spin, fotoner, sammenfiltring og teleportation skal udnyttes, for at det hele skal gå op i en højere enhed.

Kvantefysikken beskæftiger sig med universets mindste byggesten på længdeskalaer, hvor naturen opfører sig anderledes end vi er vant til fra vores makroskopiske hverdag. Disse fænomener kan udnyttes i udviklingen af ny og spændende teknologi med et enormt potentiale.

Vores teknologi vil finde anvendelser i fremtidens Kvanteinternet, som er ubrydeligt for enhver form for hackerangreb, eller Kvantecomputere der kan løse problemer, der er tidsmæssigt uopnåeligt med ”klassisk” computerteknologi.

Verden over forskes der i fremtidens kvantecomputer, der vil kunne lave udregninger man kun kan drømme om i dag, og som vil kunne bryde enhver kryptering med et snuptag - så det er vitalt at komme den i forkøbet mht. sikkerhed og kryptering.

Vores nuværende måde at kryptere data er ikke ubrydelig, men det vil kræve flere millioner års regnearbejde med en moderne computer at bryde krypteringen, og den anses derfor i praksis for at være ubrydelig med eksisterende teknologier.

 

En kvantecomputer vil med sikkerhed være i stand til hurtigt at bryde vores nuværende protokol for kryptering, og da det er realistisk, at en effektiv kvantecomputer bliver bygget inden for de næste årtier, er det derfor vigtigt at finde nye måder at sikre sig kryptering.

Kryptering med lys

Man er med kvantemekanikkens love i stand til ikke bare at bryde den nuværende kryptering, men også at lave en ny type kryptering, som er sikret imod både klassiske- og kvantecomputere.

På Niels Bohr Institutet arbejder vi med netop denne kvantekryptering. Her benytter vi de mindste bestanddele af lys, de såkaldte fotoner, til at realisere kvantekryptering. Fotonen er en kvantemekanisk partikel, der kan kodes med information, kvanteinformation, ved hjælp af fotonens polarisering.

Et system der kan kodes med kvantemekanisk information kaldes for en kvantebit. Dette navn får de fordi de er kvantecomputerens svar på den klassiske computers bit, altså den information som computeren skal analysere.

Kvantemekanikken har den enestående egenskab, at det er umuligt at foretage en måling af et system uden at påvirke systemet. Man vil derfor være i stand til at se, hvis nogen har forsøgt at aflæse den sendte besked. Dette gør kvantekommunikation til en sikker måde at kryptere data, som i modsætning til den nuværende metode, ikke risikerer at blive brudt af fremtidige teknologiske opfindelser.

 

Allerede nu har forskere været i stand til at sende kvantenøgler over afstande på hundredevis af kilometer. På NBI ønsker vi at gå endnu videre og udvikle et regulært kvanteinternet. Her er idéen at man hurtigt kan sende sine kvantenøgler imellem alle lande.

Et kvanteinternet vil også kunne gøre det muligt at sende sine kvantebit til kvantecomputere andre steder i verden for at få behandlet sin data - vel at mærke uden at selv ejeren af kvantecomputeren er i stand til at få indblik i hvad der er behandlet.

Et kvanteinternet kræver kvanterepeatere

Der er store udfordringer forbundet med at realisere et globalt kvanteinternet. Et problem er, at de optiske fibre der skal bringe fotonerne til fra A til B har et tab, der stiger hurtigt med afstanden som fotonen skal tilbagelægge.

Med de nuværende teknologier falder antallet af fotoner, der når igennem en optisk fiber på 100 km, til én for hver gang man har sendt 150 fotoner. Det betyder, at kun omkring én ud af 100 milliarder fotoner vil være i stand til at nå fra København til Berlin.

Dette gør det umuligt at sende fotoner på så relativt kort en afstand. Dette problem kan dog løses, hvis man benytter en såkaldt kvanterepeater.

En kvanterepeater benytter et unikt fænomen, kvantesammenfiltring, eller entanglement. Man kan to forskellige steder, A og B, lave hvert sit par af sammenfiltrede partikler. Hvert sted sender da én af deres partikler til en station imellem dem.

Ved denne station er det så muligt at benytte de to sendte partikler til at sammenfiltre de to partikler, der stadigvæk befinder sig ved A og B.

Ved at gentage denne procedure over mange stationer vil man altså være i stand til at sammenfiltre partikler over meget lange afstande.

Enkelt-foton kilder

Kvantefotonik gruppen på Niels Bohr Institutet forsker i at lave enkelt-foton kilder, som kan bruges til at sende information på kvanteinternettet. For at fotonerne kan bruges som bærere af kvanteinformation, skal de opfylde nogle specifikke krav. De skal udsendes én ad gangen; udsendelsen skal være kontrolleret og effektiv, og fotonerne skal være identiske.

I princippet kan man lave en enkelt-foton kilde ved at fange et enkelt atom. Når en elektron i et atom henfalder, det vil sige ”springer” fra en bane til en anden, udsender den én og kun én foton. Hvis man kan fange fotonen har man derfor en perfekt kilde af enkelte fotoner.

Dette er bare ikke så let at gøre i praksis. For det første kræver det at man først fanger og fasholder ét enkelt atom, og dernæst at man fanger fotonen, som kan flyve væk fra atomet i en hvilken som helst retning.

For at undgå problemerne med enkelte atomer, bruger vi i stedet såkaldte kvantepunkter, som er fremragende enkelt-foton kilder. De består af tusindvis af atomer, men har nogle af de samme egenskaber som et enkelt atom, og kaldes derfor gerne ”kunstige atomer”.

I kvantefotonik gruppen arbejder vi med kvantepunkter, som er indlejret i et fast stof. På denne måde undgår man at skulle bruge komplicerede metoder til at fange og fastholde enkelte atomer.

Vi kan påvirke hvordan de indlejrede kvantepunker henfalder ved at bygge nano-strukturer omkring dem. Det ændrer på lysudsendelsen og dirigerer fotonerne i en bestemt retning. Vi kan dermed kontrollere udsendelsen af enkelte fotoner.

Derudover giver nano-strukturerne mulighed for at designe kredsløb hvori fotonerne bevæger sig rundt, direkte på den chip hvori kvantepunkterne er indlejret. Dette giver os mulighed for at lave mere avancerede operationer på fotonerne.

Kvantebit og Kvantehukommelse

I praksis vil man gerne kunne opbevare sine kvantebit i lang tid. Dette er specielt vigtigt når man vil lave et kvanteinternet, hvor man gerne vil kunne opbevare og behandle den kvanteinformation man får tilsendt via nettet. Til dette er fotoner upraktiske.

Fotoner flytter sig med 300.000 km i sekundet, hvilket ikke er praktisk, når man gerne vil have informationen til at blive på samme sted. Derfor forsker vi på Niels Bohr Institutet i hvordan man kan lave kvantehukommelser, hvor man gemmer informationen fra fotoner i andre systemer.

Kvantefotonikgruppen har slået sig sammen med Optomekanikgruppen til Center for Hybride Kvantenetværk (Hy-Q). Her er målet at gemme fotonernes information i membraner, små, tynde materialer der kan svinge op og ned, og opbevare kvanteinformationen i membranens svingning. Dette sker ved at fotonen skubber til membranen og sætter den til at svinge som et trommeskind.

Optomekanikgruppen har udviklet nogle helt fantastiske membraner, som svinger op og ned en million gange i sekundet og kan blive ved med at svinge i et kvarter. Informationen kan derfor opbevares her i lang tid.

En anden metode  til at lave kvantehukommelser er at benytte en sky af atomer. Ved at sende fotonerne gennem atomerne kan lyset opbevares i skyen indtil den igen kan hentes ud ved at lyse på skyen med lasere. Denne metode er specielt velegnet når man vil lave teleportering. Du kan læse mere om kvanteteleportering her.

Karrieremuligheder: Hvad kan jeg blive som fysiker?

Læs om Fysikuddannelsen på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet og Fysikuddannelsens opbygning.

Se også: