Här blir hemlig information säker

Projektanslag 2015

Photonic quantum information

Huvudsökande:
Mohamed Bourennane, professor i experimentell kvantoptik och kvantinformation

Medsökande:
Stockholms universitet
Markus Hennrich

KTH
Fredrik Laurell
Sebastian Lourdudoss

Universitetet i Sevilla
Adán Cabello

Lärosäte:
Stockholms universitet

Beviljat anslag:
34,3 miljoner kronor under fem år

Ett tjockt, svart sammetsskynke täcker dörröppningen in till labbet. När forskningen handlar om enstaka ljuspartiklar är det viktigt att kunna stänga störande ljus ute. Här inne utvecklas helt säkra sätt att överföra digital information.

Kryptering bevarar hemligheter

För att en sändare och mottagare ska kunna utbyta hemlig information används kryptering. Innan meddelandet skickas översätter avsändaren innehållet till en oläslig text med hjälp av en hemlig nyckel. I en digital värld är texten en sträng med ettor och nollor. Mottagaren kan sedan återskapa det ursprungliga meddelandet med hjälp av samma nyckel.

Dagens kryptografiska protokoll baseras på antagandet att det är svårt att utföra vissa beräkningar. De är mycket säkra, men inte helt, och skulle kunna knäckas om man har tillgång till tillräckligt kraftfulla datorer.

För att skapa helt säkra system tas nu kvantfysiken till hjälp. Resultatet blir kvantkryptering, en teknik som utvecklas i ett projekt med anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.

Ljuspartiklar skickar lösningen

Inom kvantkryptering används ljusets minsta partiklar, fotoner, för att skapa kodnycklar mellan sändare och mottagare. Ettor och nollor representeras av fotonens polarisering, det vill säga de olika svängningsriktningar ljusets vågor kan ha.

I egenskap av kvantpartiklar är fotoner omöjliga att registrera utan att samtidigt förändra. Försöker någon analysera fotonens polarisation och sedan skicka fotonen vidare, säger kvantmekanikens lagar att mätningen har förändrat informationen i fotonen. Detta upptäcks när avsändaren och mottagaren jämför vad de har skickat mellan sig.

– Varje gång någon försöker tjuvlyssna störs systemet och vi vet att någon var där. Det är styrkan med kvantkryptering; att alla försök till avlyssning upptäcks, säger Mohamed Bourennane.

Inte helt säkert

Kvantkryptering anses i teorin vara ett helt säkert sätt att överföra information och det finns idag kommersiellt tillgängliga system. Men i praktiken är det inte lika enkelt. Även kvantkrypterade nycklar har visat sig vara möjliga att knäcka genom att angripa den tekniska utrustningen.

I Wallenbergprojektet vill forskarna utveckla tekniken för kvantkryptering och göra den oberoende av utrustningen som används.

– Information som skickas med vår metod ska vara skyddad även om det är hackaren själv som har byggt apparaten du använder, säger Mohamed Bourennane.

Spöklik verkan på avstånd

I projektet utnyttjas ett fenomen kallat sammanflätning eller snärjning. Det innebär att partiklar på platser långt ifrån varandra beter sig som om de hängde ihop. Mäts polarisationen på den ena av två sammanflätade fotoner påverkar det ögonblickligen den andra fotonen, oberoende av hur långt ifrån varandra fotonerna är.

Säkerheten i kodnyckeln kan då testas enklare, med hjälp av ett matematiskt teorem kallat Bells olikhet, som avgör om två eller flera fotoner faktiskt är sammanflätade. Dessutom kan sammanflätning av fler än två fotoner användas för kvantkommunikation mellan flera parter, genom att kvantnyckeln då kan skapas hos flera parter.

Vid ett stort experimentbord i labbet på AlbaNova universitetscentrum arbetar forskarna med att producera sammanflätade fotoner. Pulser av laserljus skickas genom en typ av kristall. Vissa laserfotoner konverteras då till ett par av två fotoner, och med rätt inställningar kan sammanflätning i deras polarisation skapas.

– Det här är en av de bästa uppställningarna i världen. Idag vet man hur sammanflätning fungerar mellan två fotoner. Vi försöker producera sammanflätning med mer än åtta fotoner, säger Mohamed Bourennane.

I projektet utvecklas också effektivare detektorer för att mäta enstaka fotoner. Forskarna använder tunna filmer av supraledande material. Dessa leder ström utan motstånd, men bara vid väldigt låga temperaturer.

– När supraledaren träffas av en foton blir den varm och inte längre superledande. Då vet vi att en foton har varit där, säger Mohamed Bourennane.

Tekniken utvecklas tillsammans med forskare i USA.

Allt på ett glaschip

Kvanttillstånd är ofta väldigt sköra. En av de större utmaningarna i projektet är utveckla kvantminnen där fotoner kan lagras utan att deras kvantegenskaper förstörs. Detta görs bland annat med hjälp av defekter i diamanters kolstruktur eller så kallade jonfällor. Dessa har nämligen visat sig kunna lagra kvantinformationen utan att förstöra den.

Parallellt med utvecklingen av systemets olika delar ska allt bli mindre. Experimentuppställning som idag täcker två hela bord i labbet ska bli liten som en tändsticksask. Mohamed Bourennane visar ett centimeterstort glaschip och berättar:

– Allt ska finnas på de här små glasbitarna. Med laser printar vi tredimensionella kretsar i glaset.

Att uppnå helt säker digital kommunikation är idag ett eftertraktat mål och flera länder satsar stort. Men Mohamed Bourennane är övertygad om att deras projekt har vad krävs.

– Vi är ett tvärvetenskapligt team där alla är starka inom sitt område och vi har tillgång till välutrustade laboratorier. Vi har alla förutsättningar för att lyckas.

Text Sara Nilsson
Foto Magnus Bergström