La mijlocul lunii august 2016, o rachetă chinezească a lansat pe orbită un satelit cu totul special, la bordul căruia se vor desfășura experimente de telecomunicație cuantică.
Deși satelitul a fost construit și lansat de către China, studiile privind telecomunicațiile cuantice reprezintă o colaborare între cercetătorii chinezi și cei austrieci: este primul satelit de acest tip și, dacă experimentele se vor dovedi viabile, vor schimba complet modul în care vor circula datele între bănci, între diverse centre de comandă ale armatei sau chiar între telefonul nostru inteligent și serverul de mail.
Principiile mecanicii cuantice, care stau la baza teoriei comunicațiilor cuantice, garantează că viitoarele telecomunicații cuantice sunt sigure și că nu vor putea fi interceptate (de hackeri sau de guverne curioase), pentru că orice astfel de tentativă duce la distrugerea mesajului transmis. Vom vedea în continuare de ce este posibil acest lucru doar în contextul telecomunicațiilor cuantice.
COMPUTERE CUANTICE
Superpoziția de stări și pisica lui Schrödinger
Pentru a explica conceptul de superpoziție de stări, fizicianul german Erwin Schrödinger, unul din părinții mecanicii cuantice, a imaginat la începutul secolului trecut următorul experiment (mental).
O pisică, închisă într-o cutie de oțel fără ferestre, cu suficiente rezerve de apă și aer. În interiorul cutiei avem o otravă deosebit de puternică, închisă într-o fiolă de sticlă, dar și un ciocan, gata să spargă fiola, conectat la o sursă radioactivă cu o activitate foarte slabă. Dacă o particulă este emisă, ciocanul va sparge fiola și otrava va omorî pisica. Dacă nu, pisica se află în siguranță. Sursa radioactivă este folosită aici doar ca un generator de numere aleatoare, un fel de ruletă rusească, nu știm când și dacă ciocanul va sparge fiola.
Privit întreg sistemul din exterior, nimeni nu poate preciza dacă pisica este vie sau nu, pentru că nimeni nu știe când ciocanul care sparge fiola se activează (cum spuneam, este aleator, se poate activa sau nu, într-o perioadă de timp dată).
Așadar, sistemul poate fi descris ca o funcție care conține o superpoziție de stări, în care pisica este în același timp și vie și moartă. Deschiderea cutiei ne va spune în care dintre cele două stări se află pisica și este echivalentă cu reducerea funcției de undă la una din cele două valori posibile.
Auzim tot mai des în ultima perioadă vorbindu-se despre computerele cuantice (citește interviul cu un specialist român pe acest subiect) și mereu articolele devin foarte repede confuze și greu de urmărit. Nu e de mirare, domeniul nu este deloc unul simplu, așa cum nu este nici mecanica cuantică, o teorie situată undeva în afara intuiției și percepției noastre cotidiene.
Tot ce trebuie să reținem deocamdată este că avem de-a face cu o schimbare de paradigmă: dacă până acum, datele într-un computer clasic înseamnă una din cele două stări posibile (0 sau 1), în cazul unui computer cuantic datele pe care acesta le manipulează sunt într-o superpoziție de stări și manipularea lor implică concepte cuantice, precum entanglementul particulelor, o caracteristică deosebit de curioasă a universului la scară cuantică.
Așadar, dacă în cazul clasic computerele funcționează cu biți (0 sau 1), computerele cuantice funcționează cu așa numiții qubiți, care nu dețin o singură stare, ci o superpoziție de stări. De aici, lucrurile se complică rapid și pentru a explica funcționarea unui computer cuantic este necesar un articol separat, domeniul fiind unul extrem de dinamic astăzi.
Comunicațiile cuantice însă nu necesită computere cuantice, vorbim despre două lucruri diferite.
TELECOMUNICAȚII CUANTICE
Trebuie să facem o distincție între computerele cuantice, care reprezintă niște mașini de calcul ce funcționează după câteva dintre regulile mecanicii cuantice, și telecomunicațiile cuantice, care nu au nevoie de computere cuantice pentru a fi utilizabile.
Dacă se vor dovedi viabile pe scară largă, telecomunicațiile cuantice se vor integra în sistemele deja existente și vor oferi o alternativă mai sigură de transfer al datelor sensibile. Pe de altă parte, computerele cuantice vor duce în viitorul apropiat la creșterea spectaculoasă a puterii de calcul, ceea ce poate duce rapid la slăbirea actualelor metode criptografice folosite în prezent.
Pentru a înlocui vulnerabilitățile actualului sistem de criptare folosit pe scară largă pe Internet, folosind legile fizicii cuantice poate fi pus la punct un sistem infailibil, care nu permite interceptarea datelor transmise. Și nu este vorba despre o dificultate sporită pentru a sparge o cheie folosită pentru criptare, este vorba despre o imposibilitate fizică de a decripta datele, rezultată din legile intime ale naturii, exprimate prin ecuațiile mecanicii cuantice.
Chei publice și private
În prezent, comunicațiile online folosesc un sistem de criptare asimetric. De exemplu, atât mesajele care circulă între utilizatorii de WhatsApp, cât și conexiunea dintre browser și serverul de mail, folosesc acest tip de criptare. Pentru a cripta un mesaj folosind criptare asimetrică se folosesc două chei, înrudite matematic între ele (adică un singur algoritm le generează pe amândouă).
Să luăm exemplul mesajelor schimbate prin aplicația WhatsApp: un algoritm generează pe telefonul fiecărui utilizator această pereche de chei: una privată (secretă), care nu părăsește telefonul, și una publică, care este transmisă unui server central, de unde va putea fi accesată de oricine. Când Ion vrea să îi trimită Mariei un mesaj criptat, Ion va alege din lista sa de contacte pe Maria. Automat, aplicația WhatsApp criptează mesajul scris de Ion folosind cheia publică a Mariei (disponibilă oricui, după cum spuneam, deci aplicația o descarcă de pe un server). Mesajul pleacă astfel criptat din telefonul lui Ion și va străbate internetul în această formă, până la Maria.
Dacă Mihai interceptează în vreun fel mesajul, acesta este criptat și nu poate fi citit direct. Singurul mod de decriptare este folosirea cheii private a Mariei, care se află pe telefonul acesteia. Deci mesajul poate fi decriptat doar când (și dacă) ajunge la Maria. Ea îi răspunde și totul se întâmplă la fel, dar în sens opus. Mihai, care interceptează mesajul criptat, are două variante pentru a-l citi. Ori va folosi un computer suficient de puternic, pentru a sparge criptarea, dar s-ar putea să aibă nevoie de câțiva ani pentru acest lucru. Nu este foarte practic.
O a doua variantă ar fi să intre în posesia cheii private a Mariei, lucru care iar se poate dovedi dificil, dacă nu are acces direct la telefonul Mariei. Dar este evident că sistemul de criptare asimetric are două vulnerabilități: mesajul aflat în tranzit, chiar dacă este criptat, poate fi spart, teoretic, dacă atacatorul are la dispoziție suficiente resurse (putere de calcul și timp) sau un atacator ar putea pune mâna pe cheile private.
Dar înainte să vedem cum poate avea loc acest lucru, să vedem ce înseamnă un sistem de distribuție a unei chei cuantice. Actualul sistem de criptare aflat în uz pe scară largă folosește un sistem de chei pereche, una publică și una privată, însă viitorul sistem de telecomunicații cuantice va simplifica acest lucru: criptarea va avea loc folosind o singură cheie, care va fi împărțită între utilizatori.
Este sigur acest lucru? Surprinzător, dar da, este, mulțumită fizicii cuantice. Cheia este generată printr-un proces cuantic care generează fotoni aleator polarizați și nu este altceva decât o serie de moduri de polarizare a acestora. O serie cu adevărat aleatoare, care nu poate fi obținută altfel decât printr-un proces cuantic, un aspect important pentru a genera de fiecare dată o cheie unică.
Entanglement cuantic
La fel cum corpurile macroscopice au diverse proprietăți măsurabile, precum masă, impuls, formă sau culoare, entitățile cuantice, precum particulele, au și ele un set propriu de proprietăți fizice, care uneori au sens în lumea macroscopică cu care suntem obișnuiți (masa, impuls), dar alteori sunt specifice lumii cuantice (spin, polarizare) și nu pot fi decât aproximate cu ce întâlnim la scara cotidiană (spinul este un fel de moment cinetic, dar până la un punct).
Acum imaginați-vă un sistem cuantic care produce două (sau mai multe particule, dar pentru simplitate vom folosi doar două particule). Entanglementul cuantic este fenomenul prin care sistemul rezultat nu poate fi descris independent de particulele constituente, care sunt oarecum conectate una de cealaltă, indiferent de distanța dintre ele, și care doar împreună pot descrie starea completă a sistemului rezultat.
Un alt mod de a vedea entanglementul cuantic este că măsurând parametri uneia dintre particule rezultate, putem afla indirect valorile parametrilor celeilalte particule, chiar dacă cele două particule sunt la sute sau mii de kilometri distanță și nu comunică între ele.
Fotonii astfel obținuți sunt distribuiți utilizatorilor (să presupunem că sunt doar doi utilizatori, pentru a simplifica explicația). Aici intervin două aspecte legate de lumea cuantică: teorema non-clonării și entanglementul cuantic. Nu vom intra în detalii plictisitoare, dar trebui spus că fotonii polarizați dintr-un astfel de șir nu pot fi pur și simplu copiați sau clonați.
Dacă se încearcă acest lucru, polarizarea acestora se modifică. Pentru că încercarea de a măsura proprietățile unui sistem cuantic îi modifică acestuia parametri. Asta spune teorema non-clonării și are legătură cu principiul de incertitudine enunțat de Wernher Heisenberg. Având în vedere că avem doi utilizatori și că fiecare dintre ei a primit o copie a cheii, folosind entanglementul cuantic puteam să ne dăm seama dacă una dintre chei a fost sau nu modificată.
Dacă a fost modificată, înseamnă că cineva a încercat să o intercepteze, se consideră compromisă și se generează o cheie nouă. Cheia, aflată acum în posesia ambilor utilizatori care au siguranța că nu a fost interceptată, poate fi folosită pentru a cripta mesaje. Nu-i așa că e simplu? Modul prin care cele două chei sunt comparate este unul destul de complex, dar totuși realizabil practic.
Acum intervin câteva probleme. Experimente cu fotoni aflați interconectați prin fenomenul de entanglement cuantic au mai fost derulate, dar s-a dovedit că funcționează doar pe distanțe mai scurte de 100 km. Și să nu credeți că telecomunicațiile cuantice aparțin viitorului, prima astfel de tentativă în afara laboratoarelor a avut loc deja în 2004, când la Viena a avut loc un transfer bancar de 3.000 de euro, folosind mecanisme de criptare cuantică.
În prezent, există companii care vând sisteme de telecomunicații cuantice la sol, prin fibre optice, care au însă loc pe distanțe relativ scurte. Dacă experimentele de la bordul satelitului vor reuși, în scurt timp ele vor deveni accesibile pe scară largă și pe distanțe de mii de kilometri.
Lansarea satelitului Mozi
Lansarea satelitului chinezesc a avut loc în 15 august 2016, la ora 20:40, de pe rampa de lansare LC43 a complexului spațial de la Jiuquan. Satelitul are 500 de kilograme și poartă numele unui filosof chinez care a trăit cu 5 secole înaintea erei noastre, Mozi (cunoscut și ca Mo Di sau latinizat sub forma Micius), însă uneori presa din emisfera vestică numește satelitul și Quantum Space Satellite sau QSS.
Racheta folosită pentru această lansare, Changzheng 2D, are două trepte și de la primul zbor din 1992 a avut parte de 29 de lansări, toate cu succes. Acest model este deseori folosit pentru a plasa încărcături pe orbită heliosincronă. Pe orbita terestră joasă poate urca 3,5 tone, în timp ce o orbită heliosincronă poate transporta maximum 1,3 tone. Avantajul unei orbite heliosincrone este faptul că satelitul trece pe deasupra unui punct fix de pe suprafața Pământului în fiecare zi la exact aceeași oră, aspect uneori important în misiunile de supraveghere meteorologică sau spionaj.
Racheta este derivată din Changzheng 4, prima treaptă (aproape 28 de metri) fiind practic identică cu aceasta și propulsată de un motor YF-21C, care arde hidrazină și tetraoxid de azot. A doua treaptă, lungă de 10,9 metri, folosește un motor YF-24C și are un diametru de 3,35 metri. Din cauza combustibilului toxic, China va înlocui întreaga familie de propulsoare cu Changzheng 5, 6 și 7, proiectate pentru a fi mai eficiente și pentru a folosi combustibil mai puțin toxic.
Satelitul Mozi a fost dezvoltat și lansat de către Academia de Științe din China (CAS). Până recent, în China doar armata și Ministerul Industriei, Informației și Tehnologiei aveau acces la rachete și aveau aprobarea pentru a lansa sateliți, însă recent politica a fost relaxată, pentru a permite oamenilor de știință un acces mai direct la spațiu. Astfel, Mozi este al doilea satelit lansat de CAS, după Dark Matter Particle Explorer (DAMPE), lansat în decembrie 2015, pentru studiul materiei întunecate.
Satelitul chinezesc Mozi testează dacă este posibil ca această proprietate să fie folosită pe distanțe de zece ori mai mari. Dacă acest lucru va reuși, în viitorul apropiat câțiva astfel de sateliți vor putea forma o rețea care să pună la dispoziția utilizatorilor interesați astfel de chei cuantice. Nu va fi ușor, pentru că semnalul va întâmpina o serie de turbulențe atmosferice sau zgomot de fond în drumul său dintre satelit și stațiile de recepție de la sol, pentru că cercetării speră să poată folosi satelitul ca un releu de distribuție a unei chei cuantice între Viena și Beijing.
Astfel de experimente nu au mai fost desfășurate în spațiu, în afara mediului controlat din laborator. Pe orbită, pe lângă nevoia de miniaturizare a pieselor electronice, mai apare și problema radiației, care poate genera zgomot de fond suplimentar și complicații când vine vorba despre astfel de semnale sensibile.
Cheia cuantică generată la bordul satelitului va fi comunicată stațiilor de la sol de la Viena și Beijing, care o vor putea folosi pentru a cripta mesaje pe care le pot ulterior transmite prin canalele clasice (Internet). Cheia nu poate fi interceptată, fără a fi distrusă, când este transmisă de către satelit, deci criptarea este sigură, iar mesajul criptat poate circula public, fără teama că va putea fi decriptat.
Experimentele efectuate la bordul satelitului nu se opresc aici. Mozi este primul satelit capabil să teleporteze fotoni. Da, teleportare cuantică, pe o distanță record de 1.000 de kilometri. Iar asta se întâmplă, din coincidență, chiar în anul în care Star Trek împlinește jumătate de veac de la difuzarea primului episod.
VIITORUL COMUNICAȚIILOR CRIPTATE?
Sunt convins că vom asista în următorii ani la o revoluție în ceea ce privește criptarea datelor. Odată cu mărirea puterii de calcul disponibile, acest lucru va fi o necesitate, pentru a păstra confidențialitatea cantității uriașe de date care circulă pe Internet în fiecare zi. SUA, Europa și China investesc resurse uriașe în comunicații cuantice și probabil primii beneficiari vor fi membri ai armatei și cei din domeniu finanțelor, urmând ca ulterior să ajungă și la îndemâna maselor de utilizatori.
