Tema

Kvantpartiklar kan avslöja dataspioner

Idag använder vi använder bank-id, vårdtjänster, handlar på nätet och kommunicerar med myndigheter – tjänster som bygger på säker överföring av information. Nu utvecklas kvantkommunikation som kan avslöja om någon försöker avlyssna eller skicka falsk information.

Nobelpriset i fysik 2022 handlar om grunden för helt säker kommunikation. Den arbetar forskare vid Stockholms universitet med att utveckla.

Ingången till labbet täcks av en mörkläggningsgardin. Inget ljus får sippra in. Här på labbet vid Stockholms universitet utvecklas framtidens supersäkra sätt att skicka digital information, omöjlig att avlyssna eller förfalska utan att det märks.

– Årets Nobelpris i fysik är förutsättningen för helt avlyssningssäker datakommunikation, säger Mohamed Bourennane, professor vid Fysikum, Stockholms universitet.

Kommunikation där små ljuspartiklar spelar huvudrollen

Som professor i experimentell kvantoptik och kvantinformation har han under 17 år byggt upp universitetets forskning inom området. Tyngdpunkten ligger på kvantkommunikation, där små ljuspartiklar, fotoner, spelar huvudrollen.

– Området är mycket bredare än många tror. Det omfattar bland annat kryptering som i sig är ett stort område.

Dagens internetbaserade samhälle med bank-id, digitala vårdjournaler, webbhandel och överföring av information mellan myndigheter bygger på säker överföring av information.

Kan användas för att avslöja avlyssning

I dag används kryptering som gör informationen oläslig för den som saknar nyckeln till hur den ska tolkas. För att hitta nyckeln krävs beräkningar som är svåra och tidsödande för dagens datorer att lösa. Beräkningskapaciteten räcker helt enkelt inte till. Det förändras nu när länder och företag över hela världen utvecklar kvantdatorer. De kommer att få en enorm beräkningskapacitet och kan därmed räkna på alla möjliga lösningar samtidigt. Då blir det en enkel match att knäcka dagens krypteringsmetoder. Men kvantfysiken kan också erbjuda en lösning.

– Kvantpartiklar har egenskaper som kan användas för att avslöja om någon försöker avlyssna en digital kommunikation eller skicka falsk information, berättar Mohamed Bourennane.

I källaren i huvudbyggnaden i universitetsområdet Albanova, står utrustningen som visar att det är möjligt. I garderobstora rack finns allt som krävs för att skicka, detektera och jämföra strömmar av kvantbitar, skapade av fotoner som flätats samman (se faktaruta nedan) i rummet bredvid. Strömmen av fotoner utgör en nyckel som skickas till både sändare och mottagare.

Kvantfenomen som utnyttjas inom kvanttekniken

  • Superposition. I kvantfysikens värld kan partiklar samtidigt vara både här och där, ha flera olika energier och många andra egenskaper samtidigt.
  • Sammanflätning. En superposition kan sträcka sig mellan flera partiklar. Kopplingen kvarstår även om de separeras geografiskt – en manipulation av den ena partikeln påverkar omedelbart den andra. Einstein kallade det skeptiskt ”spöklik avståndsverkan”, men experiment gjorda av årets Nobelpristagare visar att det stämmer.

Källor: Chalmers och KVA

Detekterar enstaka fotoner med 90 procents effektivitet

Utrustningen jämför sedan tillstånden hos fotonerna. De är väldigt lättstörda och varje försök att läsa av dem under överföringen gör att de förändras. Det leder till att strängen av ettor och nollor inte längre stämmer överens hos mottagare och sändare. På så sätt avslöjas att överföringen inte är säker och den avbryts. Är fotonerna exakt lika kan informationen skickas utan risk.

– Vår detektor klarar att detektera enstaka fotoner med 90 procents effektivitet. Det är betydligt högre än de som finns på marknaden idag.

Rymmas på en liten glasbit

Nu ska utrustningen skalas ner och bli mindre. En version som är stor som en vinylspelare står på bänken bredvid. På sikt ska de kristaller och stråldelare som krävs för att skapa de sammanflätade fotonerna rymmas på en liten glasbit. Mohamed Bourennane håller upp en 2 x 5 centimeter liten glasskiva.

– I ett sådant här glas ska vi printa in tredimensionella kretsar med hjälp av en laser. Sen kopplar vi kretsen till fiberoptiska kablar, säger han.

Sammanflätade fotoner påverkas om något görs med någon av dem, till exempel läser av dem i en detektor. Det spelar ingen roll hur långt ifrån varandra de är.

– Vi har lyckats fläta samman upp till åtta fotoner. De kan användas om man vill skicka olika nycklar till flera personer, där samtliga nycklar behövs för att den avlyssningssäkra informationen ska sändas.

Europeiskt kvantnät på väg att byggas

På sikt väntar kvantinternet som inte går att hacka. Kina bygger just nu ett 2 000 kilometer stort kvantnät. EU har också startat projektet Quantum Internet. Målet är att varje medlemsland ska bygga ett nationellt kvantnät, som sin tur kopplas till grannländerna och vidare ut i världen. Projektet ska pågå i 2,5 år. EU står för hälften av finansieringen.

– Sverige ska kopplas ihop med Danmark och på sikt Finland. Kompetensen finns redan inom högskola och industri.

När pengarna kommer kan det gå fort

– I första skedet bygger vi kvantnätet med kommersiell utrustning, i det andra är målet utrustning som vi utvecklar själva. Den ska bli både snabbare och säkrare än de kvantsystem som finns idag.

Text: Ulla Karlsson-Ottosson

Denna artikel publicerades ursprungligen på Stockholms universitets webbplats

Kvantpartiklar kan avslöja dataspioner

 lästid ~ 4 min