Upptäckten av kvantmekaniken öppnade dörren till fundamentalt nya sätt att kommunicera, bearbeta och skydda data. Med en kvantrevolution på god väg, kommer långa oanade möjligheter inom räckhåll för oss.
Från de grundläggande frågorna om hur universum fungerar för att säkra kommunikation - det är kvantmekaniken som håller vår framtids lösningar. Professor Artur Ekert, pionjär inom området och kvantkryptografins fader, har varit professor (adjungerad) och chef för OIST:s enhet för kvantinformationssäkerhet sedan april 2021. Professor Ekert, som nu kan vistas oftare på OIST efter pandemin, intervjuades.
Med en bakgrund i tillämpad matematik hade han inte planerat att arbeta med fysik förrän han snubblade över "The Feynman Lectures on Physics" på ett bibliotek - "Jag läste den och blev helt fast!" säger prof. Ekert. Med denna nyfunna passion började han arbeta mot sin doktorsexamen. vid University of Oxford, där han också träffade sin mentor David Deutsch, pionjären inom kvantberäkning. Samtidigt stötte han på en annan inflytelserik artikel om kvantintrång, skriven av den berömde fysikern Alain Aspect.
"Jag var djupt imponerad - tidningen visade att kvantmekaniken i sig är oförutsägbar. Detta var min utgångspunkt när jag förstod att detta kan användas för säker kommunikation", säger prof. Ekert. Men före dessa banbrytande experiment av Aspect och kollegor fanns det hård debatt om huruvida experiment inom kvantmekanik är i sig oförutsägbara eller inte.
Även om det var möjligt att få statistiska förutsägelser om resultaten av dessa experiment, förblev bestämda uttalanden alltid utom räckhåll. "Nu var frågan, hanterar vi sann slumpmässighet i kvantmekaniken eller bara vår oförmåga att ännu förutsäga utfall tillräckligt bra?" förklarar prof. Ekert. Det visade sig att svaret på denna fråga också innehöll nyckeln till utvecklingen av kvantkryptografi.
Slumpmässiga händelser kan kategoriseras i två olika typer, som forskare refererar till som objektiv och subjektiv slumpmässighet. "Till exempel kan något verka slumpmässigt för dig men inte för mig eftersom jag har mer information som gör att jag kan förstå och förutsäga händelsen. Om du inte har tillgång till denna ytterligare information kommer händelsen att visas slumpmässigt för dig - det här är det vi kallar subjektiv slumpmässighet", förklarar prof. Ekert.
Överraskande nog hör det klassiska exemplet på en myntkastning till kategorin subjektiv slumpmässighet. Med tillräcklig kunskap om de initiala förhållandena, myntens rörelse och struktur, luftcirkulationen i rummet med mera, skulle resultatet av varje myntkast bli perfekt förutsägbart. "Objektiv slumpmässighet å andra sidan är en händelse för vilken du inte kan förutsäga resultatet även om du visste absolut allt om det", säger prof. Ekert.
Huruvida kvantfysiken har delar av denna objektiva slumpmässighet diskuterades bland forskare på 1900-talet och fick mycket framträdande motstånd från Albert Einstein.
"Han trodde att vi inte kan förutsäga resultaten av experiment inom kvantmekanik eftersom vi saknar information, inte för att de är oförutsägbara i sig", säger prof. Ekert. Om det var korrekt och de saknade informationsbitarna kunde identifieras, borde resultatet av experiment inom kvantmekanik ha blivit förutsägbart. "Han kallade den här saknade informationen för dolda variabler", förklarar prof. Ekert.
Denna teoretiska debatt rasade i ungefär 30 år, tills vetenskapsmannen John Bell kom med en testbar hypotes, nu även kallad Bells ojämlikhet. Detta test, bland annat, gjorde det möjligt att svara på frågan om kvanthändelser verkligen är slumpmässiga eller inte.
Så här fungerar det i ett nötskal; under ett lämpligt experiment med intrasslade fotoner mäts en specifik parameter. Om denna parameter ligger utanför ett förväntat intervall, stödjer den att händelser på en kvantnivå har en objektivt slumpmässig komponent, men om den faller inom det förväntade intervallet är Einsteins invändningar korrekta och det finns dolda variabler.
"Problemet var att när Bell publicerade sitt arbete, var det ännu inte möjligt att utföra dessa mycket komplicerade experiment", säger prof. Ekert. Med matematiken men inte de tekniska sätten att utföra testet förblev debatten obesvarad i ytterligare ett decennium. Fram till 1970-talet, när dessa experiment äntligen blev möjliga, var John Clauser bland de första att utföra dem.
"När han gör de här första experimenten, observerar han en kränkning av Bells ojämlikhet som stödde det faktum att naturen i dess grund är slumpmässig", säger prof. Ekert.
Men med tidens fortfarande begränsade teknik förblev detta spännande fynd preliminärt till en början. Faktum är att visshet i frågan nåddes inte förrän i slutet av 90-talet. Det var bland annat det banbrytande arbetet av Alain Aspect, Nicolas Gisin, Ronald Hanson, Jianwei Pan och Anton Zeilinger, om karaktären av kvantintrassling och Bell-ojämlikheterna, som bekräftade kvantmekanikens grundläggande funktion för gott – vilket visar att det finns sann slumpmässighet i kvanthändelser.
2022 delade Aspect, Clauser och Zeilinger ett Nobelpris för sina banbrytande experimentella ansträngningar.
Efter att ha lärt sig om allt detta medan han arbetade mot sin doktorsexamen, insåg Prof. Ekert att slumpmässighet kan användas för att skapa ett sätt att utveckla okrossbar kryptering. Innan säker kommunikation blev kvantum, hade kryptografi redan gjort det möjligt att överföra information på ett säkert sätt, förutom en avgörande fallgrop.
"Låt oss föreställa oss att du vill överföra information på ett säkert sätt till en annan person. I så fall behöver ni båda något som kallas en kryptografisk nyckel - vilket är en helt slumpmässig sekvens av ettor och nollor. Den här nyckeln måste hållas strikt hemlig!" säger prof. Ekert. Medan nyckeln är slumpmässig och därför meningslös, kommer den senare att tillåta dess innehavare att avkoda det skickade meddelandet.
Men denna traditionella metod för kryptering har ett stort säkerhetshinder:att hålla nyckeln hemlig. Skulle åtkomst erhållas obehörigt, kan alla skickade meddelanden avkodas och hur skulle det någonsin kunna vara fullständig säkerhet om att ingen hade fått tillgång till de hemliga nycklarna?
Klassiskt åtgärdades detta problem genom att använda skyddade linjer för kommunikation och genom arbetet av cybersäkerhetsspecialister som implementerade olika säkerhetsfunktioner för att skydda krypteringsnycklar.
"Men du förstår, även med den bästa säkerheten på plats, kan du aldrig vara 100% säker på att ingen hade fått tillgång", påpekar prof. Ekert.
Allt detta förändrades när experimenten på Bells ojämlikhet visade att kvantmekaniken har en inneboende slumpmässig komponent. "En lösning är att använda kvantnycklar. Dessa genereras med hjälp av intrasslade fotoner," förklarar prof. Ekert.
Denna metod för att generera en kryptografisk nyckel gör det möjligt att testa om någon har haft obehörig åtkomst genom att använda Bells teorem. "Om din nyckel bryter mot Bells ojämlikheter kan du vara säker på att ingen hade tillgång till din nyckel", säger prof. Ekert. Med detta hade han upptäckt ett helt nytt sätt att säkra kommunikation:kvantkryptografi.
Denna krypteringsmetod är nu viktigare än någonsin, eftersom framsteg i utvecklingen av kvantdatorer kommer att göra klassisk kryptering mindre säker – ett problem för känslig data, till exempel inom den medicinska eller finansiella sektorn. Här erbjuder kvantkryptografi ett sätt att säkerställa skydd, men det kommer sannolikt inte att bli standarden för all kommunikation.
"Kvantkryptografi kommer inte helt att ersätta klassiska metoder, eftersom det inte alltid finns ett behov av perfekt säkerhet. Alla bilar behöver inte uppfylla Formel 1-standarder – det är samma sak för kryptering", säger prof. Ekert.
Ändå är utvecklingen av moderna cybersäkerhetsstrategier som håller jämna steg med dagens komplexa tekniska värld en nyckelutmaning för både vetenskap och samhälle, och en av anledningarna till att prof. Ekert kom till OIST.
"Jag är här för att hjälpa till att skapa en levande kvant- och cybersäkerhetsgemenskap i Okinawa och jag vill också hjälpa till att utbilda människor om cybersäkerhet och förbättra dataskyddet", säger prof. Ekert.
Ett andra fokus kommer att vara hans forskning om begreppet slumpmässighet, för vilken OIST erbjuder idealiska förhållanden. "Jag uppskattar den trevliga och lugna miljön i Okinawa", påpekar prof. Ekert. Även om det nu är ett faktum att objektiv slumpmässighet spelar en roll i kvantmekaniken, tar Prof. Ekerts forskning här på OIST upp en kanske jämförelsevis grundläggande fråga om vårt universums natur:"Jag är intresserad av varför saker är slumpmässiga", säger han.
Tillhandahålls av Okinawa Institute of Science and Technology
