Szyfrowanie kwantowe, bezpieczeństwo danych, teleportacja. Nobel z fizyki i jego praktyczne aspekty

W roku 2022 laureatami Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki zostali John F. Clauser, Alain Aspect i Anton Zeilinger. Komitet Noblowski docenił ich niezależne prace i eksperymenty związane "ze splątanymi fotonami, ustaleniem naruszenia nierówności Bella i pionierską informatyką kwantową". O praktycznych aspektach badań prowadzonych przez laureatów portal tvnmeteo.pl zapytał prof. dr. hab. Andrzeja Wysmołka z Instytutu Fizyki Doświadczalnej Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Po ogłoszeniu we wtorek decyzji liczni komentatorzy zwracali uwagę, że "to nie tylko nagroda z fizyki, ale i nagroda z filozofii". Nasz rozmówca podkreślił jednak, że "oprócz filozoficznych aspektów tej nagrody istnieją aspekty bardzo praktyczne". Wyjaśnił, że wyniki uzyskane przez Clausera, Aspecta i Zeilingera mogą znaleźć zastosowanie przede wszystkim w szyfrowaniu kwantowym - technologii zabezpieczania danych. Jak dodał, technologia ta może być wykorzystana w takich codziennych sytuacjach, jak korzystanie z internetu, w tym z bankowości elektronicznej.

- Przesyłanie informacji to jest coś, co jest dla nas bardzo ważne. Nie chcemy, żeby jakiś komputer złamał szyfry i włamał się do naszego konta bankowego - tłumaczył fizyk. Zaznaczył, że stopniowo wchodzimy w etap, w którym coraz częściej będziemy stykać się z tego typu technologiami i wprowadzenie ich do naszego codziennego życia to tylko kwestia czasu.

- To, co wiele lat temu pokazał profesor Zeilinger w zakresie przesyłania bezpiecznej informacji, w tej chwili staje się już codziennością - dodał Wysmołek.

Ekspert zaznaczył, że kwantowe szyfrowanie jest kompatybilne z internetem w niemal takiej postaci, w jakiej używamy go obecnie. Zanim jednak będziemy mogli naprawdę skorzystać z dobrodziejstw, jakie zapewnia ta technologia, niezbędne będzie rozwiązanie kilku kwestii, przede wszystkim związanych z przesyłaniem kluczy szyfrujących.  

- Musimy mieć dodatkowe kanały, w których będziemy te klucze obsługiwać - wyjaśnił Wysmołek. - Technologia jest bardzo podobna (do obecnej - red.), tylko trzeba rozwiązać kwestie zasięgu, ale to się będzie rozwijać - przewidywał.

Od strony technologicznej konieczne będzie rozwiązanie jeszcze jednego problemu: "jak wyprodukować coś, o czego cechach dowiemy się dopiero, gdy ktoś to sprawdzi".

Fizyk podkreślił, że "podstawy tego procesu są nam znane, na co wskazuje eksperyment z parą splątanych fotonów": dopóki któregoś nie zmierzymy, jego własności są nieokreślone, natomiast w momencie pomiaru jednego z nich, jego własności staną się określone, a jednocześnie doskonale skorelowane z analogicznymi własnościami drugiego fotonu.

- Kluczowe jest, że nieokreśloność fotonu nie wynikała z naszej niewiedzy, ale była fundamentalną cechą układu - wyjaśnił fizyk, kontynuując opis wspomnianego eksperymentu. - Dzięki temu, jeśli korelacje między fotonami są dostatecznie silne - a to jest związane właśnie z łamaniem nierówności Bella, za co została przyznana nagroda Nobla - mamy gwarancję, że nikt inny po drodze nie dokonywał pomiarów i że komunikacja jest bezpieczna. W świecie rządzonym fizyką klasyczną nie mielibyśmy tego rodzaju gwarancji bezpieczeństwa - podkreślił profesor Wysmołek.

- To jest bardzo ważne: jeśli informacje zostaną sprawdzone w niepożądany sposób, to wtedy dowiemy się, że ktoś grzebał przy naszych danych - dodał.

Wyniki badań Clausera, Aspecta i Zeilingera są omawiane przez ekspertów również w kontekście zjawiska kwantowej teleportacji. Nie jest to jednak teleportacja w takim znaczeniu, jakie znamy z literatury science fiction. Dotyczy ona stanów materii. Wysmołek tłumaczy to na przykładzie pary elektronów.

- Teleportacja to jest przekazywanie informacji na podstawie wiedzy o tym, z czego składał się układ wyjściowy i jaka była korelacja między nimi - wyjaśnił. - Elektrony mają taką własność, jak spin (moment pędu - red.). Gdy mamy parę elektronów o przeciwnym spinie, a jeden z nich się oddali, będziemy od razu wiedzieć, jaki był jego spin, na podstawie tego drugiego - dodał.

Ekspert przyznał przy tym, że fizyczna teleportacja, na przykład człowieka, jest daleko poza naszym zasięgiem.

- Potrzebne jest dużo energii, by człowieka złożyć z atomów. Atomy nie dbają o to, w czyim ciele są. To piękne, że potrafią tworzyć takie struktury, jak ludzie, którzy mogą następnie myśleć o takich zjawiskach - stwierdził.