chemia kwantowa w przyjemnej formie :)

Z "Rzeczpospolitej":

Splatane - zaszyfrowane
Fotonowy kod

PIOTR KOSCIELNIAK

Wiedenski ratusz i bank Creditanstalt Austria dzieli zaledwie 500
metrow. Ale to wlasnie miedzy tymi dwiema instytucjami dokonano
najlepiej zabezpieczonego przelewu pieniedzy na swiecie.

Z konta na konto powedrowalo 3 tys. euro. Niewiele, jak na "najlepiej

zabezpieczony" przelew. Kwota jest tu jednak mniej wazna niz sposob
zaszyfrowania informacji o operacji bankowej. Po raz pierwszy na
swiecie wykorzystano bowiem do zabezpieczenia przelewu zjawisko tzw.
splatania fotonow. Dzieki temu efektowi, cala operacja byla
stuprocentowo bezpieczna.

Odleglosc nie ma znaczenia

System szyfrujacy i zabezpieczajacy informacje o operacji bankowej
opracowal Anton Zeilinger z Uniwersytetu Wiedenskiego oraz firma ARC
Seibersdorf Research. Wykorzystali oni niezwykly fakt istnienia
splatanych par fotonow, ktore stanowily rodzaj klucza dla szyfrowania

przesylanej informacji.

A coz to takiego owo splatanie? To tajemnicza wiez, laczaca ze soba
dwa obiekty, mimo ze dzielaca je odleglosc moze byc ogromna. Zgodnie
z teoria Alberta Einsteina, nic w przyrodzie nie moze poruszac sie z
predkoscia wieksza niz predkosc swiatla. Nie moze sie tez szybciej
poruszac informacja. Tymczasem pary splatanych obiektow jakby
porozumiewaja sie ze soba na odleglosc, nic sobie przy tym nie robiac

z nalozonego ograniczenia predkosci. Na razie, eksperymentalnie,
wykazano, ze owo splatanie istnieje m.in. dla kwantow swiatla
(fotonow), a nawet dla calych atomow i ich zbiorow.

W duzym uproszczeniu, w przypadku par splatanych fotonow, zmiana
stanu (spinu) jednego z nich powoduje jednoczesna zmiane stanu
drugiego. Dzieje sie to natychmiast, przy czym odleglosc miedzy nimi
nie ma najmniejszego znaczenia. Nie bez powodu Einstein, ktory
zreszta nie bardzo potrafil wyjasnic istote splatania, nazwal to
zjawisko "upiornym dzialaniem na odleglosc".

Fotonowy kluczyk

Rowniez teraz fizycy nie za dobrze radza sobie z wyjasnieniem, skad
sie zjawisko splatania bierze. Poniewaz jego istnienie zostalo
wielokrotnie potwierdzone eksperymentalnie, naukowcom nie pozostalo
nic innego, jak znalezienie sposobu, aby "upiorne dzialanie na
odleglosc" zaprzac do pracy.

Na pierwszy ogien poszla kryptografia. Dla uproszczenia zalozmy, ze
fotony niosa ze soba informacje o kluczu potrzebnym do odszyfrowania
informacji. Kazda proba odczytania jej z jednego fotonu natychmiast
ujawni sie na drugim fotonie od pary. Odbiorca wiadomosci natychmiast

bedzie wiedzial o probie wlamania, chocby miala ona miejsce na drugim

koncu Drogi Mlecznej.

Wlasnie to zjawisko wykorzystano w Wiedniu. Fotony produkowal laser,
byly one dzielone na pary przez specjalny krysztal, a nastepnie jeden

wysylano swiatlowodem z banku do ratusza. Drugi pozostawal jako
zabezpieczenie. Analizujac stan (spin) fotonow (przyjmijmy, ze bylo
to 1 albo 0), obie strony dysponowaly kluczem do zaszyfrowania
transakcji. Gdyby ktos po drodze chcial przechwycic klucz, jedna ze
stron natychmiast by sie o tym dowiedziala. Sam klucz jest zas
calkowicie losowy - zatem nie do podrobienia. Cala operacja jest
zabezpieczona, pod warunkiem, ze kazdorazowo uzywa sie nowego
fotonowego klucza. Jedyne, co moga zrobic wlamywacze, to probowac
zaklocic transmisje fotonow.

Obecnie w celu zaszyfrowania informacji stosuje sie skomplikowane
matematyczne algorytmy. Ich istota jest zalozenie, ze do
odszyfrowania informacji konieczne jest przeprowadzenie bardzo wielu
operacji matematycznych. To zas wymaga uzycia poteznego
superkomputera, pracujacego bez przerwy przez cale lata. Szyfr taki
jest zatem teoretycznie do zlamania, jednak pokonanie zabezpieczenia
jest trudne praktycznie. Do chwili, kiedy ktos nie opracuje szybszej
metody rozwiazywania matematycznego problemu uzywanego do szyfrowania

lub nie zbuduje jeszcze szybszego komputera. - Kiedy mowimy o duzych
sumach pieniedzy, ludzie zaczynaja sie naprawde interesowac -
powiedzial Zeilinger magazynowi "New Scientist". Wady tej pozbawione
jest zabezpieczanie przesylanych informacji splatanymi fotonami.
Zabezpieczenie jest, mozna powiedziec - fizycznie - nie do pokonania.

Ograniczenia w stosowaniu tego pomyslu sa obecnie praktycznie jedynie

techniczne. W Wiedniu, nadawce i odbiorce dzielilo 500 metrow, fotony

musialy jednak pokonac swiatlowod o dlugosci ok. 1,5 km. Zdaniem
Zeilingera mozna skutecznie odczytywac stan fotonow po pokonaniu
przez nie odleglosci ok. 20 km. To jednak tylko kwestia czulosci
detektorow. Japonska Toshiba poinformowala zas, ze udalo jej sie
opracowac detektor skutecznie dzialajacy ze swiatlowodami nawet z
odleglosci 100 km.

W planach teleportacja

Na kryptografii zastosowania efektu splatania sie jednak nie koncza.
Naukowcy chca stworzyc rodzaj "komputera", ktory wykorzystywalby
zjawisko splatania obiektow do prowadzenia obliczen. Taki komputer
kwantowy mialby wykonywac wiele operacji jednoczesnie, co czyniloby
go superszybkim. Pierwsze proby splatania elektronow, ktore mialyby
byc wykorzystywane jako bity informacji (a wlasciwie qubity - bity
kwantowe), zostaly juz przeprowadzone. Fizycy zgodnie jednak
przyznaja, ze do skonstruowanie kwantowego komputera jeszcze nam
daleko.

Najdalej ida jednak naukowcy, ktorzy w efekcie splatania widza
mozliwosc dla... teleportacji. Powie ktos - jest duza roznica miedzy
sprawdzaniem stanu fotonow czy elektronow, a przenoszeniem sporych
obiektow na odleglosc. Nie jest ona jednak taka duza, jakby sie na
pierwszy rzut oka moglo wydawac. Dowiodl tego eksperyment
przeprowadzony w 2001 roku przez dunskich naukowcow z Uniwersytetu
Aarhus. Splatali oni nie pojedyncze fotony, ale dwie chmury atomow
cezu, liczace miliardy czasteczek kazda. Naukowcy nie wiazali ze soba

cech pojedynczych atomow, lecz splatali wypadkowa stanu atomow w
jednej chmurze z druga. Splatanie trwalo ulamek sekundy, jednak
dowiodlo, ze takie powiazanie dwoch zlozonych obiektow jest mozliwe.
Sam Anton Zweilinger rowniez pracuje nad eksperymentem prowadzacym do

teleportacji stanow materii. Jest przekonany, ze w niedlugiej
przyszlosci uda sie splatac bardziej zlozone czasteczki - np. sfery
zlozone z 60 atomow wegla. -
Received on Wed 28 Apr 2004 - 22:47:08 MET DST