Szyfrowanie kwantowe coraz bliżej. Jak fotony ochronią dane
Naukowcy z udziałem badaczki UW odkryli, że kryształ ZnPS₃ emituje pojedyncze fotony. To ważny krok w pracach nad bezpieczną komunikacją.
Kiedy logujemy się do banku, wysyłamy wiadomość albo zapisujemy dokument w chmurze, nasze dane są szyfrowane. Osoba, która przechwyci transmisję, nie powinna odczytać jej treści bez odpowiedniego klucza.
Obecne zabezpieczenia opierają się przede wszystkim na bardzo trudnych obliczeniach matematycznych. Zwykłe komputery potrzebowałyby wielu lat, aby odtworzyć klucz chroniący dobrze zaszyfrowane dane. W przyszłości dostatecznie wydajne komputery kwantowe poradzą sobie jednak z częścią takich zadań znacznie szybciej.
Naukowcy już teraz przygotowują nowe zabezpieczenia. Jednym z nich jest szyfrowanie kwantowe, które wykorzystuje pojedyncze cząstki światła. Próba przechwycenia przesyłanych fotonów wprowadza do transmisji błędy, a nadawca i odbiorca mogą je wykryć.
Jak dziś szyfrujemy dane i co zmienią komputery kwantowe?
Bezpieczeństwo obecnych szyfrów nie wynika z tego, że nie da się ich złamać. Wynika przede wszystkim z czasu potrzebnego do wykonania obliczeń. Nawet bardzo szybki komputer musiałby pracować niezwykle długo, aby odtworzyć dobrze przygotowany klucz.
Dotyczy to między innymi systemów RSA oraz kryptografii wykorzystującej krzywe eliptyczne. Rozwiązania te pomagają potwierdzać tożsamość stron połączenia i bezpiecznie przekazywać klucze. Korzystają z nich banki, sklepy internetowe, urzędy, komunikatory i dostawcy usług cyfrowych.
Odpowiednio duży i stabilny komputer kwantowy mógłby znacznie skrócić część tych obliczeń. Takie maszyny jeszcze nie istnieją, ale dane, które powinny pozostać tajne przez kilkanaście lub kilkadziesiąt lat, trzeba zabezpieczyć już dzisiaj. Napastnik może bowiem przechwycić zaszyfrowaną transmisję, zapisać ją, a następnie poczekać na pojawienie się lepszej technologii.
Nie oznacza to, że komputery kwantowe złamią wszystkie szyfry. Część obecnych zabezpieczeń nadal będzie skuteczna, choć czasami trzeba będzie użyć dłuższych kluczy. Powstają również nowe algorytmy przeznaczone dla zwykłych komputerów, ale odporne na przyszłe ataki kwantowe. Amerykański NIST zatwierdził już pierwsze standardy takiej kryptografii postkwantowej i zachęca firmy oraz instytucje do wymiany zabezpieczeń.
Na czym polega szyfrowanie kwantowe?
Określenie szyfrowanie kwantowe jest pewnym uproszczeniem. W praktyce najczęściej chodzi o kwantową dystrybucję klucza, nazywaną QKD. Fotony nie przenoszą całej wiadomości, dokumentu czy przelewu. Pozwalają bezpiecznie utworzyć i przekazać klucz, którym później szyfruje się dane.
Misja IGNIS: polskie próbki leków wróciły z kosmosu po 14 miesiącach
Foton jest najmniejszą porcją światła. Informację można zapisać w jego polaryzacji, czyli w kierunku drgania światła. W uproszczonym przykładzie foton o polaryzacji pionowej oznacza cyfrę 1, a foton o polaryzacji poziomej – cyfrę 0.
Nadawca wysyła serię przygotowanych w ten sposób fotonów. Odbiorca je mierzy i na tej podstawie tworzy własną wersję klucza. Następnie obie strony porównują niewielką część wyników. Nie ujawniają przy tym klucza, którym później zaszyfrują właściwą transmisję.
Jeżeli ktoś spróbuje przechwycić fotony, również musi je zmierzyć. Nie zna jednak ustawień wybranych przez nadawcę, dlatego część pomiarów wykona nieprawidłowo. W rezultacie zmieni stan niektórych fotonów i wprowadzi do transmisji dodatkowe błędy.
Nadawca i odbiorca zauważą wzrost liczby niezgodnych wyników. Jeżeli będzie ich zbyt dużo, odrzucą klucz i przerwą połączenie. Nie chodzi więc o osobny alarm po przechwyceniu każdego fotonu. Obecność intruza zdradza liczba błędów w całej przesłanej serii.
Po sprawdzeniu, że klucz jest bezpieczny, można nim zaszyfrować rozmowę, plik albo dane bankowe za pomocą zwykłego programu. Kryptografia kwantowa chroni sposób uzgodnienia klucza. Nie zabezpieczy natomiast komputera przed wirusem, kradzieżą hasła ani błędem popełnionym przez użytkownika.
Nowe technologie rewolucjonizują leczenie cukrzycy. Eksperci apelują o szerszy dostęp do pomp i nowoczesnych leków
Kryształ ZnPS₃ emituje pojedyncze fotony
Do budowy kwantowego łącza potrzebne jest źródło światła, które wysyła fotony pojedynczo. Zwykła żarówka lub laser emituje ich ogromną liczbę. W kryptografii kwantowej nadajnik powinien natomiast przygotowywać jeden foton po drugim.
Ma to bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo. Gdyby urządzenie wysłało kilka identycznych fotonów jednocześnie, intruz mógłby zatrzymać jeden z nich, a pozostałe przesłać odbiorcy. Nadawca miałby wówczas większy problem z wykryciem podsłuchu.
Międzynarodowy zespół z udziałem Natalii Zawadzkiej z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego zbadał pod tym kątem trójsiarkofosforek cynku ZnPS₃. To warstwowy kryształ zbudowany z cynku, fosforu i siarki. Naukowcy potwierdzili, że materiał emituje pojedyncze fotony. Wyniki opublikowali w czasopiśmie „ACS Nano”.
ZnPS₃ można dzielić na bardzo cienkie płatki, mające zaledwie kilkadziesiąt nanometrów grubości. Tak mały fragment materiału da się połączyć ze światłowodem, chipem krzemowym lub miniaturowym układem optycznym.
– Niewielki rozmiar płatków pozwala na ich bezproblemową integrację z istniejącymi miniaturowymi układami fotonicznymi, chipami krzemowymi oraz światłowodami. W praktyce oznacza to możliwość tworzenia złożonych, wieloczęściowych obwodów optycznych na jednym chipie – tłumaczy Natalia Zawadzka.
AI poległo w bibliotece. Uniwersytet Warszawski szuka ludzi do odczytywania rękopisów
Brak jednego atomu tworzy źródło światła
Naukowcy odkryli, że fotony najprawdopodobniej powstają w miejscu, w którym w regularnej strukturze kryształu brakuje atomu fosforu. Taki defekt nazywa się wakancją fosforową.
Można go porównać do niewielkiego dołka na gładkim stole. Po oświetleniu kryształu laserem energia zostaje na chwilę uwięziona w miejscu brakującego atomu. Następnie materiał oddaje ją w postaci pojedynczego fotonu.
Podczas badań najsilniejsze światło pojawiało się na krawędziach oraz w pofałdowanych częściach cienkich płatków. Właśnie tam częściej występują defekty w strukturze kryształu. Obliczenia wykonane przez zespół potwierdziły, że wyniki najlepiej pasują do miejsc, w których brakuje atomu fosforu.
(a) Zdjęcie z mikroskopu optycznego badanego płatka ZnPS3 z zaznaczonymi punktami S1, S2 i S3, w których przeprowadzono pomiary fotoluminescencji. (b) Mapa przestrzenna znormalizowanej intensywności fotoluminescencji, obejmująca cały obszar płatka przedstawiony na panelu (a). (c) Widma fotoluminescencji zmierzone w miejscach S1, S2 i S3 zaznaczonych na panelach (a) i (b). W widmach znajdują się emitery pojedynczych fotonów oznaczone jako E1, E2 i E3. Widoczny mod ramanowski od podłoża krzemowego jest oznaczony symbolem Si. Źródło: doi.org/10.1021/acsnano.5c19936
W większości urządzeń defekt materiału jest wadą. W tym przypadku brak pojedynczego atomu tworzy jednak miniaturowe źródło światła. Kolejnym zadaniem naukowców będzie opracowanie sposobu, który pozwoli umieszczać takie źródła dokładnie tam, gdzie są potrzebne.
Fotony emitowane przez ZnPS₃ mają jeszcze jedną ważną właściwość. Ich światło drga niemal w jednym kierunku, czyli jest silnie spolaryzowane. Dzięki temu łatwiej zapisać w nim cyfrowe zera i jedynki oraz prawidłowo odczytać przesłaną informację.
– W klasycznym świetle, na przykład z żarówki czy Słońca, fale świetlne drgają chaotycznie we wszystkich kierunkach. Fakt, że nasz emiter generuje światło silnie spolaryzowane, oznacza, że każdy wysyłany foton drga w jednym, ściśle określonym kierunku. W kryptografii kwantowej fotony służą jako nośniki bitów informacji, a kodowanie odbywa się właśnie poprzez kierunek ich polaryzacji. Dla przykładu: foton drgający pionowo może oznaczać cyfrę 1, natomiast drgający poziomo – cyfrę 0 – tłumaczy badaczka.
Roman leci w kosmos. Teleskop NASA gotowy przed startem w 2026 r.
Od odkrycia do kwantowego internetu prowadzi długa droga
ZnPS₃ nie trafi szybko do telefonów, routerów ani bankowych serwerowni. Badane emitery pracują dopiero po schłodzeniu do około –253 stopni Celsjusza. Utrzymanie takiej temperatury wymaga kosztownej aparatury, która na razie ogranicza zastosowanie materiału do laboratoriów.
Naukowcy muszą również nauczyć się wytwarzać defekty w wybranych miejscach, a następnie połączyć źródła fotonów z pozostałymi elementami urządzenia. Każdy emiter powinien pracować stabilnie, a kolejne egzemplarze muszą mieć takie same właściwości.
Badania ZnPS₃ otworzyły również drogę do eksperymentów z podobnymi kryształami zawierającymi mangan lub nikiel. Materiały te mają właściwości magnetyczne. W przyszłości pole magnetyczne mogłoby zmieniać parametry emitowanego światła. Takie rozwiązanie pozwoliłoby sterować źródłem fotonów albo budować bardzo czułe detektory pola magnetycznego.
Szyfrowanie kwantowe nie zastąpi wszystkich obecnych zabezpieczeń. Najbardziej prawdopodobne jest połączenie kilku metod: nowych algorytmów postkwantowych, sprawdzonych szyfrów oraz kwantowej dystrybucji kluczy na najważniejszych łączach.
Odkrycie zespołu z udziałem badaczki UW nie oznacza więc, że bezpieczny internet kwantowy jest już gotowy. Naukowcy znaleźli jednak materiał, z którego w przyszłości mogą powstać małe źródła pojedynczych fotonów. Bez takich urządzeń budowa kwantowych sieci nie będzie możliwa.
Natalia Zawadzka jest doktorantką w Instytucie Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego. Specjalizuje się w fizyce ciała stałego, ze szczególnym uwzględnieniem struktury elektronowej i emisji fotonów w dwuwymiarowych materiałach warstwowych. Jest współautorką publikacji w prestiżowych, międzynarodowych czasopismach naukowych, takich jak ACS Nano.
Źródło: serwisnaukowy.uw.edu.pl
To będzie trudne lato dla pszczół. Jak możemy im pomóc?
Czytaj więcej
