Læsetid: 8 min.

Kryptiske kvanter på spil i Århus

25. maj 1998

Kvantekrypteringens ubrydelige kode er målet for et nyt dansk forskningscenter, hvor man arbejder med kvantefysik i praksis

KRYPTOLOGI
Siden kvantefysikken blev formuleret i starten af dette århundrede har både menigmand og lærde fysikere haft svært ved at forlige sig med de sære kendsgeringer, der udspringer af denne gren af videnskaben, hvor et atom kan befinde sig i to forskellige tilstande på samme tid.
For eksempel har den amerikanske matematiker Richard Jozsa for nylig forudsagt, at det med kvantemekanikken vil være muligt at lave en computer, som virker, når den er slukket!
Men hvor kvantefysikken i mange år mest har været brugt til underholdende øvelser i logik for viderekommende, er den i 90'erne begyndt at finde sin anvendelse. Der tales nu om kvantecomputere - computere som vil kunne udføre mange beregninger på én gang, og derfor vil revolutionere computerindustrien. De første spæde forsøg er allerede udført med succes, men der er stadig langt til kvantecomputerens virkeliggørelse.
Anderledes er det med kvantekryptering - en genre indenfor kvantefysikken, hvor der ikke kun arbejdes med papir og blyant, men også med kasser, skruer og ikke mindst lyslederkabler. Med kvantekryptering forsøger forskerne at udvikle en teknik til helt sikker overførsel af informationer fra et punkt til et andet.
Nu vil et nyt dansk forskningscenter være med i fronten indenfor kvantekryptering. På Aarhus Universitet åbnede man den 1. januar Thomas B. Thriges Center for Kvante Informatik (CKI), og centerleder Ivan Bjerre Damgård kan fortælle, at man har en ambition om, at frembringe noget der ligner en prototype på et kvantekrypteringsanlæg inden for de tre år, som centeret har bevillinger til.

Ingen smuglytning
I modsætning til de gængse krypteringsmetoder, der har været kendt siden 70'erne, og som i princippet kan brydes, blot man har en computer med tilpas stor regnekraft, så kan et fungerende kvantekrypteringsanlæg overføre data uden risiko for, at andre kan lytte med.
Kvantekryptografien bygger på Heisenbergs usikkerhedsrelation, som siger, at man ved at aflytte et kvantesystem automatisk vil forstyrre det, og dermed ødelægge informationen. Ved ulovlig aflytning af et signal, der er kvantekrypteret, vil man ved at ødelægge informationen automatisk alarmere de legitime brugere.
I praksis, forklarer Ivan Damgård, foregår det ved hjælp af fotoner - de mindste bestanddele af lys - som sendes afsted i lyslederkabler.
Ligesom lys kun spredes i en bestemt retning, når det sendes gennem et poloraidfilter (som i et par solbriller), så kan fysikerne sende fotoner afsted, som kun svinger enten lodret og vandret eller skråt den ene og den anden vej. Med de to 'typer' fotoner signalerer hver tilstand enten et 0 (f.eks. lodret) eller 1 (vandret).
På den måde giver hvert foton, der rejser gennem lyslederkablet, et binært signal - enten 0 eller 1 - ligesom i en digital computer.
Men i modsætning til digital information, så kan hver enkelt foton kodes i enten en lodret/vandret retning eller skrå/skrå retning, og da en 'smuglytter' ikke kan vide, hvilken af de to tilstande fotonet er kodet i, kan han heller ikke få noget fornuftigt ud af informationen.
Oven i købet vil smuglytteren som nævnt også forstyrre signalet, og dermed advare afsender og modtager om, at der 'lyttes på linien'.

Stor interesse
Den ubrydelige kode, som kvantekrypteringen lover, er selvfølgelig sød musik for efterretningsvæsener og firmaer, der arbejder med sikkerhedssystemer til computere. Hvilket selvfølgelig betyder, at der fra industrien postes betydelige summer i forskningen.
CKI har således også fundet støtte 'udefra'. Bag Thomas B. Thriges Fond, som udover navnet også har bidraget med penge til centeret, står firmaet Terma Electronics. Sammen med to andre firmaer, Cryptomathic og Lucent Technologies Denmark danner Terma Electronics en businessclub, som løbende informeres om arbejdet på centeret, og desuden har førsteret til de prototyper, som CKI håber på at kunne frembringe.
"Firmaerne arbejder med sikkerhedssystemer og lyslederkabler, og har derfor en naturlig interesse i vores arbejde," fortæller Ivan Damgård, "og der er da ingen tvivl om, at de kun er interesseret, fordi vores arbejde er så anvendelsesorienteret, som det er. Hvis andre ikke allerede havde vist, at det kunne lade sig gøre, havde vi ikke fået nogen penge."

Unikt samarbejde
I modsætning til de fleste andre forskningsprojekter inden for kvantekryptering er CKI's projekt baseret på et samarbejde mellem dataloger og fysikere. Ivan Damgård, der selv er datalog og udover at være centerleder er lektor ved Datalogisk Institut på Aarhus Universitet, mener, at det er centerets force:
"De fleste eksperimenter er lavet af rene fysiker-grupper. De har blot villet vise, at det rent faktisk kan lade sig gøre at lave kvantekryptering - men bekymrede sig ikke så meget om, at det skulle bruges til kommunikation," siger Ivan Damgård og fortsætter:
"Det, vi kan, og som kun få andre kan, er at tilføje de mere praktiske sider, som gør, at teknologien rent faktisk bliver brugbar."
Datalogernes job bliver at koble computere og software på de sendere og modtagere, der sidder i hver ende af lyslederkablerne. For selvom man allerede nu har sendt fotoner gennem 30-40 kilometer lyslederkabler, så garanterer det ikke, at de også bærer den information, som de skal.
"Når man kommunikerer på denne måde, går man fra kvanter til et almindeligt netværk. Det er vores opgave at få denne overgang til at fungere," forklarer Ivan Damgård.

Kvantenøgler
Selve krypteringen foregår ved, at man tager en række tilfældige bits - med informationen 0 eller 1 - og lægger dem til de data, man vil sende. Produktet af de tilfældige tal - krypteringsnøglen - og de oprindelige data sendes så afsted til modtageren, der ved at trække tallene i nøglen fra signalet kommer tilbage til de oprindelige data. Denne metode kaldes one-time-pad, og har været brugt længe.
Det, kvantekrypteringen kan tilføje, er en metode til at sikre, at kun afsender og modtager kender krypteringsnøglen.
Den metode skal forskerne på CKI nu udvikle, så afsender og modtager er sikre på, at det også er den rigtige nøgle, de begge benytter.
"Vi er 100 procent sikre på, at vi kan lave et system, der virker," siger Ivan Damgaard, "men hvor langt vi kan skubbe det i retning af noget, der fungerer i et eksisterende netværk, kan jeg ikke sige - det er en del af øvelsen."

Transistor savnes
Lederen af det kryptiske center understreger, at det hele ikke er anvendt forskning. CKI har også fået bevillinger fra Det naturvidenskabelige Fakultet ved Aarhus Universitet og Danmarks Grundforskningsfonds to centre ved fakultetet: ACAP (Aarhus Center for Advanced Physics) og BRICS (Basic Research in Computer Science).
Et af de mere grundforsknings-orienterede projekter på CKI handler slet ikke om kvantekryptologi, men om de hypotetiske kvantecomputere.
"Vi har et par dataloger, som skal se på, hvad man kan bruge en kvantecomputer til. Men det er på et rent teoretisk plan, hvor de i en almindelig computer opbygger en model af en kvantecomputer," fortæller Ivan Damgård, "det er en ren matematisk øvelse: Lad os antage at vi har en kvantecomputer, hvad kan vi så gøre med den?"
Ivan Damgård tror ikke, at kvantecomputeren - i modsætning til kvantekrypteringen - foreløbig bliver udviklet til noget brugbart. Han sammenligner udviklingen af kvantecomputeren med udviklingen indenfor den klassiske computer:
"Der mangler en eller anden helt ny ide, før kvantecomputeren kan blive til noget," mener Ivan Damgård. "Det er ligesom dengang, man havde computere baseret på radiorør: De var kæmpestore, de vejede et halvt ton og sprang hele tiden i luften. Men så blev transistoren opfundet, og det satte skub i udviklingen. Vi mangler simpelthen transistoren hos kvantecomputeren," siger CKI's leder.
Udsigten til en kvantecomputer, som vil være nærmest uendelig meget hurtigere end en traditionel computer, har ellers fået de før nævnte efterretningsvæsener og sikkerhedsfirmaer til at frygte for deres hemmeligheder. En kvantecomputer ville på ingen tid kunne knække de krypteringskoder, som der anvendes nu.
Men som det ser ud i Aarhus hos CKI, så kan man i alverdens afdelinger for skæg og blå briller tage det ganske roligt, for inden kvantecomputeren har lært at tælle til hundrede, har man lavet et krypteringssystem som er umuligt at aflytte - kvantecomputer eller ej.

Fremtidens computer?

Siden den første computer så dagens lys for cirka halvtreds år siden, er computerne hvert andet år blevet dobbelt så hurtige og komponenterne halvt så store. Men efterhånden som størrelsen på en mikrochip nærmer sig den nedre grænse, kommer udviklingen i computerens hastighed til at gå i stå.
Derfor sætter mange folk i computerindustrien nu deres lid til, at fysikere og dataloger vil kunne udvikle en kvantecomputer, som vil kunne overgå alt, hvad vi hidtil har set af computeregnekraft.
En kvantecomputer bygger på den kendsgerning, at et atom eller en elementarpartikel kan være i flere tilstande på en gang - superposition. For eksempel kan man forestille sig, at man har et atom med en elektron, som kan være i to forskellige baner omkring kernen. Hvor vi normalt ville sige, at elektronen enten måtte være i den ene eller den anden bane, siger kvantemekanikken, at elektronen er i superposition - i begge baner samtidig.
Det svarer til, at man har en elektrisk pære, som både er tændt og slukket på en gang.
Det er den egenskab, som giver kvantecomputeren så stærke regnekræfter. I modsætning til en normal computer, hvor man i en enkelt bit kan gemme enten 0 eller 1 (svarende til en slukket eller en tændt pære), så kan man i kvantecomputeren gemme både 0 og 1 i en enkelt bit. Ved at have mange 'kvantebit' sammen i et register stiger antallet af mulige tal, der kan gemmes og regnes på, eksponentielt.
For at illustrere kvantecomputerens overlegne regnekraft, kan man forestille sig, at man har 10.000 skuffer, hvor der i én af dem ligger et par strømper, som man vil finde. Hvor en normal computer i gennemsnit skal åbne halvdelen - 5.000 skuffer - for at finde strømperne, så skal en kvantecomputer i gennemsnit kun åbne kvadratroden af alle skufferne, dvs. 100.
Men et er teori, et andet praksis. Der er kæmpe tekniske problemer at overvinde, før en virkende kvantecomputer kan se dagens lys.
Den danske atomfysiker Rasmuss Hvass Hansen arbejder på Oxford University med en kvantecomputer baseret på stoffet cytosin, som indeholder to brintatomer, som man kan bruge til at udføre beregninger med. Det giver dog - hvis man oversætter det til skuffeproblemet - kun mulighed for at kigge i fire skuffer ad gangen, og fysikerne har endnu ikke fundet et molekyle, hvor tre atomer sidder på den rigtige måde.
Mange andre problemer ligger i vejen for udviklingen af kvantecomputeren, så der er stadig mere end lang vej endnu, før kvantefysikerne skænker os en supercomputer, der kan hamle op med nutidens transistorbaserede - hvis det da nogensinde sker. ph

Følg disse emner på mail

Vores abonnenter kalder os kritisk, seriøs og troværdig.
Få ubegrænset adgang med et digitalt abonnement.
Prøv en måned gratis.

Prøv nu

Er du abonnent? Log ind her