Satellit smadrer kvante-rekord og baner vej for hackerfrit internet
Den kinesiske satellit Micius har sendt kvante-sammenfiltrede fotoner til jordstationer 1.203 km fra hinanden. Dermed har kineserne demonstreret, at ubrydelig kvantekryptering over lange afstande er muligt.
Kvantesatellit

To jordstationer 1.203 km fra hinanden modtog hver sin halvdel af et sammenfiltret fotonpar. Det åbner for kvantekryptering og et kvanteinternet. (Illustration: CAS)

Naturen har givet os en opskrift på, hvordan vi kan holde beskeder hemmelige. Vi kan nemlig udnytte det særlige kvantemekaniske fænomen, der kaldes sammenfiltring (entanglement).

Historien kort
  • Sammenfiltrede fotoner fra en kinesisk satellit er blevet sendt til jordstationer 1203 km fra hinanden.
  • Eksperimentet viser, at satellit-baseret kvantekommunikation er muligt.
  • Teknikken kan bruges til sikker kryptering og til fremtidens kvanteinternet. 

Kvantefysikken fortæller, at to partikler skal forstås som ét system, når partiklerne er i en kvantetilstand af sammenfiltring. De hænger så at sige sammen – også selv om de er langt fra hinanden. Det faktum kan bruges som grundlag for ubrydelige krypteringssystemer.

Spørgsmålet har været, om det er muligt at bevare den sammenfiltrede tilstand – og dermed muligheden for at sende kvantekrypterede beskeder – over meget lange afstande.

Og det er det, viser resultatet af et kinesisk eksperiment, hvor sammenfiltrede fotoner blev sendt fra en satellit til jordstationer 1.203 km fra hinanden. Det fremgår af en artikel i det videnskabelige tidsskrift Science.

Ny rekord for kvantekommunikation

»Det er helt klart et vigtigt resultat – virkelig en milepæl inden for kvantekommunikation. Det er et smukt arbejde, og jeg er meget imponeret,« siger professor Ulrik Lund Andersen om det nye resultat. Han er leder af kvanteinformationsgruppen ved Institut for Fysik på Danmark Tekniske Universitet.

Micius satellit

Den 620 kilo tunge satellit er den første, der er særligt designet til brug i kvanteeksperimenter. (Foto: CAS)

Kvanteinformation kan også sendes gennem optiske kabler, og sidste år lykkedes det at demonstrere kvantekryptering mellem parter forbundet af 404 km langt lyslederkabel.

Problemet med at bruge optiske kabler er, at der er tab i fiberen. Lyset bliver svagere, jo længere afstand det skal tilbagelægge, og til sidst kan det ikke måles.

Det er også lykkedes at etablere kvantekommunikation gennem luften mellem de kanariske øer La Palma og Tenerife 144 km fra hinanden. Men nu har kineserne altså slået disse rekorder eftertrykkeligt.

Kvantefysikken sikrer hemmelighederne

Naturen er spøgelsesagtig

Et kvanteeksperiment kan designes sådan, at en egenskab ved sammenfiltrede partikler – f.eks. polarisationen af to fotoner – er ubestemt, indtil man måler den. Men når man måler polarisationen af den ene af fotonerne, har man samtidig bestemt polarisationen af den anden foton – netop fordi de er sammenfiltrede.

Det virker, som om egenskaberne for den anden foton ændrer sig, fordi man måler på den første, også selv om de er langt fra hinanden. Det kaldte Einstein for 'spukhafte Fernwirkung' – spøgelsesagtig fjernvirkning.

Men i stedet skal man bare tænke, at de to fotoner skal forstås som et sammenhængende system, hvilket altså ikke ændrer sig, blot fordi fotonerne er fysisk adskilt. Kvantemekanikken fungerer på tværs af tid og rum.

Ved kvantekryptering gælder det om at få sendt en række sammenfiltrede fotoner af sted til afsender og modtager, og ud fra målingerne af polarisationen – retningen af lysbølgerne – kan de to blive enige om en krypteringsnøgle, som de kan bruge til at udveksle hemmelige beskeder.

Det smarte er, at det ifølge kvantemekanikken er umuligt at måle på et system uden at ændre det. En ændring vil kunne opdages, og dermed vil en eventuel angriber kunne afsløres. Det kan man læse mere om i artiklen Kvantemekanik bruges til super sikker kommunikation.

Forskerne har nu vist, at sammenfiltrede fotoner kan sendes fra satellit til jordstationer langt fra hinanden, men de har ikke demonstreret kvantekryptering. Det er dog lige om hjørnet, fortæller Ulrik Lund Andersen:

»Det er det naturlige næste skridt – at bruge de sammenfiltrerede tilstande til at skabe en hemmelig nøgle. Det kræver bare lidt ekstra bearbejdning af kvanteinformationerne.«

Langsom forbindelse kan være nok

Fotonerne fra satellitten tilbagelægger det meste af vejen i det tomme rum, og her er der ikke meget tab. Men i atmosfæren er der stadig tab af fotoner, der bliver spredt eller absorberet af luftens molekyler.

»Satellitten sendte seks millioner sammenfiltrede fotoner af sted i sekundet. Men på grund af tabet undervejs endte forskerne med ét sammenfiltret fotonpar pr. sekund. Så det er meget langsom kommunikation,« fortæller Ulrik Lund Andersen og fortsætter:

»Men den ene bit i sekundet kan man så bruge til at skabe en hemmelig nøgle og skabe sikker kommunikation mellem de to stationer. Det er ikke nok til massiv kommunikation, men til ekstremt hemmelige beskeder, for eksempel hos efterretningstjenester, kan det være nok.«

»De har måske ikke brug for at kommunikere så tit, og så kan man bruge tiden mellem kommunikationerne til at akkumulere en hemmelig nøgle.«

Teleportation skal der også til

Ulrik Lund Andersen forventer også, at kineserne vil forsøge at demonstrere kvanteteleportation, hvor en kvantetilstand overføres via satellitten. Teleportation skal bruges, hvis man skal koble to kvantecomputere sammen:

Micius opsendelse

Satellitten Micius blev sendt op 16. august 2016. Den skal sende sammenfiltrede fotoner til Jorden i mindst to år. (Foto: CAS)

»Hvis man skal overføre kvantebit fra én lokation til en anden, for eksempel mellem kvantecomputere, der skal arbejde sammen i et netværk, kan det ske via kvanteteleportation.«

»Vores drøm er at lave et kvanteinternet, hvor alverdens kvantecomputere er koblet sammen via teleportationskanaler. Det kan kun blive verdensomspændende, hvis vi bruger satellitter. Også derfor er dette et vigtigt skridt.«

Kvanteinternettet ligger et stykke ude i fremtiden, for der er stadig en del teknologiske udfordringer forbundet med at bygge brugbare kvantecomputere.

Men kvantekryptering bruges allerede så småt til hemmelig kommunikation over korte afstande, og satellitten Micius baner vejen for, at det tillige kan lade sig gøre over store afstande – også i et kommercielt netværk.

Satellitten er verdens første kvantekommunikationssatellit, men den bliver helt sikkert ikke den sidste.