Technologie kvantové komunikace lámou jeden rekord za druhým. Čína ve spolupráci s Jihoafrickou republikou loni v říjnu pokořila rekord v délce kvantové komunikační linky. Navázali kvantové spojení na vzdálenost 12 900 kilometrů.
Tuto linku zprovoznili mezi pozemními stanicemi, které se nacházely na University of Science and Technology of China (USTC) v Pekingu a na jihoafrické Stellenbosch University. Roli prostředníka v tomto spojení sehrál čínský kvantový mikrosatelit Jinan-1.
Rekordní kvantová linka přenesla velmi klasická data – fotky Velké čínské zdi a rázovitého města Stellenbosch, které ovšem byly zakódovány s použitím kvantové distribuce klíče (QKD, quantum key distribution). Satelit zakódoval klíče do jednotlivých fotonů, které pak poslal do pozemních stanic. Jakmile obě stanice získaly klíč, mohly bezpečně komunikovat přes zmíněný satelit.
Jak je u tohoto typu komunikace obvyklé, „kvantový“ není samotný obsah zprávy, ale klíče k jejímu přečtení. Klíče jsou zakódovány a přenášeny jako kvantové stavy fotonů. Důsledkem je, že pokus o přečtení přenášeného klíče třetí stranou vede ke změně kvantového stavu přenášeného fotonu a k selhání. Bylo by ovšem velmi naivní si myslet, že to znamená konec hackerů či špiónů. Komunikace je komplexní proces se spoustou slabých míst.
V tomto experimentu s kvantovou komunikací na rekordní vzdálenost přenášel satelit Jinan-1 více než 250 milionů „kvantových“ fotonů za sekundu a generoval více než milion bezpečných klíčů pro komunikaci při jednom přeletu pozemní stanice.
Dosavadní rekord z roku 2018 držel experiment s kvantovou komunikací mezi Čínou a Rakouskem na vzdálenost přes 7 600 kilometrů. Experiment tehdy využil starší kvantový satelit Mocius (anglicky Micius).
Satelit Jinan-1, který byl vypuštěn v roce 2022 je mnohem výkonnější než Mocius, a také mnohem menší. Váží 23 kilogramů, zhruba desetinu oproti jeho předchůdci. Odtučňovací kúrou prošly i pozemní stanice pro kvantovou komunikaci. Namísto původních 13 tun mají teď hmotnost jen 100 kilogramů. Na obzoru se rýsuje kvantový internet, tedy podle všeho čínský.
Video: Scientists from SA and China establish record-breaking 12,900 km ultra-secure quantum satellite link
Literatura
Kvantové pokroky: Čína uskutečnila první kvantovou videokonferenci
Autor: Stanislav Mihulka (02.10.2017)
Kvantoví inženýři tisíckrát zmenšili čip pro kvantovou komunikaci
Autor: Stanislav Mihulka (03.11.2019)
Čína postavila první mobilní stanici pro kvantovou komunikaci na světě
Autor: Stanislav Mihulka (10.01.2020)
Kvantové provázaní fotonů odlišných energií
Autor: Dagmar Gregorová (06.06.2023)
Disertace, která změnila fyziku: sto let vlnově-částicové duality
Autor: Jiří Chýla (08.02.2024)
Co je to virtuální částice
Autor: Jiří Chýla (16.08.2024)
Kvantoví inženýři zvládli teleportaci přes vytížené optické kabely
Autor: Stanislav Mihulka (24.12.2024)
Diskuze:
Dotaz
Stanislav Kneifl,2025-03-31 15:31:15
Může mi někdo vysvětlit, co brání tomu, aby strana C odposlouchávající komunikaci mezi satelitem a účastníkem B nezměřila foton a neposlala účastníkovi B jiný foton ve stejném kvantovém stavu? Účastník A nemá možnost zjistit, že foton už někdo změřil, ví jen podle toho svého, jaká hodnota byla u toho druhého fotonu naměřena.
Re: Dotaz
Ilil Akil,2025-03-31 17:54:28
Jedným zo zakladných princípov je, že nie je možné vytvoriť identickú kópiu neznámeho kvantového stavu.
Podrobnejšie napr. na:
https://sk.eitca.org/cybersecurity/eitc-is-qcf-quantum-cryptography-fundamentals/practical-quantum-key-distribution/qkd-experiment-vs-theory/examination-review-qkd-experiment-vs-theory/what-is-the-fundamental-principle-behind-quantum-key-distribution-qkd-and-how-does-it-differ-from-classical-cryptographic-methods-like-diffie-hellman-key-exchange/
Re: Re: Dotaz
Stanislav Kneifl,2025-04-02 11:21:49
To vím, ale není přece nutné replikovat celý kvantový stav, stačí jen ten jeden parametr, který strany A a B mezi sebou měří.
Re: Re: Re: Dotaz
Ilil Akil,2025-04-02 13:58:17
Ale asi ide o to, že nejde o "jeden parameter", ale o niekoľko spojitých parametrov, vzájomne previazaných a ich meraním sa ovplyvnia aj iné parametre, takže by mala oklamaná strana zistiť, že nemerala pôvodné častice.
Ja nie som odborník, v nejakom popularizačnom článku by to mohlo byť popísané lepšie.
Re: Re: Re: Re: Dotaz
Pavel Kaňkovský,2025-04-03 12:30:59
Kvantovka je takové cvičení z lineární algebry.
Důkaz, že klonování není obecně možné, postupuje tak, že předpokládá existenci unitární transformace, která klonování provádí, a následně ukáže, že to funguje jen za předpokladu, že možné výchozí stavy byly vzájemně ortogonálním, což je spor s tím, že by to fungovalo na obecných stavech.
Kvantový stav, pro jednoduchost uvažujme jen čisté stavy, je plně určen nějakými pozorovatelnými veličinami. Pozorování odpovídají nějaké operátory a každému odpovídá nějaký vlastní stav. Všechny stavy lze pak vyjádřit jako vektory v prostoru, jehož bázi tvoří ty vlastní stavy. Budu-li mít bázi takovou, že jí bude možno rozdělit na dvě vzájemně ortogonální pod-báze, tak mohu stav rozepsat na součet dvou vzájemně ortogonálních pod-stavů. A nyní budu trochu hádat: ten klonovací důkaz se v takovém případě rozpadne na dvě nezávislé části (unitární transformace ortogonalitu zachovává) pro každý pod-stav samostatně.
A propos, lineární algebra: pan FM se před časem ptal na matice a tenzory a takové věci a nějak jsem na to zapomněl reagovat. Z toho, co se dá najít na Internetu, bych asi doporučil klasickou učebnici od Motla a Zahradníka (https://matematika.cuni.cz/dl/zahradnik/PestujemeLinearniAlgebru.pdf ... autorem je Luboš Motl, tak je to pochopitelně poněkud svérázné, ale je to ještě z doby, že Lubošovi totálně hráblo) nebo učebnici od prof. Zlatoše (http://thales.doa.fmph.uniba.sk/zlatos/la/LAG_A4.pdf).
Re: Re: Re: Re: Re: Dotaz
Stanislav Kneifl,2025-04-03 13:49:43
To je všechno jasné. Jenže my se nebavíme o teoretickém konceptu, ale o praktické aplikaci. Když útočník ví, že B neměří všechny stavy, ale třeba jen polarizaci, co mu brání, aby zjistil polarizaci fotonu, na který B čeká, a neposlal mu foton se stejnou polarizací? To snad není technicky takový problém, ne?
Re: Re: Re: Re: Re: Re: Dotaz
Pavel Kaňkovský,2025-04-03 23:24:26
Třeba v BB84 tomu brání to, že obě strany si báze vybírají zcela náhodně (s výhodou např.pomocí nějakého kvantového PRNG), takže neexistuje způsob, jak by někdo jiný mohl předpovědět, jaká báze bude při vysílání a příjmu použita. Dokonce ani účastnici předem nevědí, co použije druhý účastník, až dodatečně se domluví na tom, kdy se jejich náhodné volby shodovaly (takové bity je možné použít) a kdy ne (takové bity je nutné zahodit).
Nicméně je pravda, že v praxi může k nějakému úniku informace o zvolené bázi dojít. Pominu-li různé tradiční cesty, tak může např. konstrukce přijímače dovolovat nějak sondovat, jak je nastavený. Těch možných útoků na QKD je strašně moc, viz např.
https://www.bsi.bund.de/EN/Service-Navi/Publikationen/Studien/QKD-Systems/Implementation_Attacks_QKD_Systems_node.html
Re: Dotaz
F M,2025-04-02 01:28:25
Superpozice, pokud jakkoli ovlivníte ten původní foton tak ji narušíte (i pro ten druhý foton) a i přesně ve stejném stejný stavu odeslaný (což myslím ani nejde? Ten zákaz přesné kopie) foton potom dá tomu druhému jiný (+-nahodně) výsledek než ten původní zachycený (z té jeho superpozice vypadne něco náhodně/s nějakou pravděpodobností). Tam právě jde o to, že se neví co padne a je to spojeno tím kvantovým provázáním a to je jen pro ten jeden konkrétní pár. Pokud je to čteno pouze jako pár stavů (málo možností výsledku, polarizace), tak se můžete párkrát trefit, ale ta pravděpodobnost jde opravdu rychle s každým dalším párem do kytek.
A teď by mě někdo kdo se v té kvantové fyzice vyzná mohl vynést v zubech, ale pro dané účely k této otázce, by ta "Superpozice" mohla stačit.
Re: Re: Dotaz
Stanislav Kneifl,2025-04-02 11:52:18
Není nutné posílat B foton v superpozici s fotonem, který dostane A. Všechno, na čem pro distribuci klíče záleží je, aby když A naměří 0, tak ví, že B musí naměřit 1. Nemá jak zjistit, že oba fotony už nejsou v superpozici.
Re: Re: Re: Dotaz
F M,2025-04-02 23:05:05
Pardon, psal jsem to pro víc verzí zároveň a tím to zmátl, tedy to co jsem psal platí, jen to v tomto "starším" případě berte jen tím jedním směrem.
Ono se totiž neposílá 1 nebo 0 (univerzálně i když to budu vztahovat konkrétně na ten bb84), ale právě něco jako ta superpozice (jak píše pan Kaňkovský tak to slovo nemusí být úplně ok)*, nebo jinak kvantový stav, zkrátka qbit. Ten je tvořen "spletením" dvou bitů (11 10 01 00) právě do toho qbitu, v této metodě se právě tvoří 2 řetězce bitů a druhý se použije až později**. A všechny stavy není schopen ten kdo zachycuje rozeznat (nezná ten druhý řetězec, jsou tam nějaké skryté ("imaginární") části, takže neví co přesně má odeslat a kopírovat toto nelze (zatím se to tak bere, jsou nato nějaké matematické důkazy)***. A i kdyby se většinou trefil, tak již při relativně malé délce klíče je úspěch nezjistitelného odposlechu téměř nemožný a s dalšími qbity rychle klesá. Tedy jde o to, že ti 2 poznají, že je někdo poslouchá, což může kazit šum který ty chyby dělá také, což nevím nakolik je rozlišitelné. Každopádně se budou snažit o "čistý signál".
*Slovo superpozice je tu asi na místě, ale jistý si nejsem. Mělo by jít o 4 stavy, u toho bb84 ad ty **
** https://en.wikipedia.org/wiki/BB84 toto je relevantní a zvládnutelné, je to jen mírně zmatečné, ale to podstatné se dá najít/vyvodit. Je tam i ten postup pro pana Kneifla.
*** https://en.wikipedia.org/wiki/No-cloning_theorem toto bych nechal být, moc matematiky
Ve zkratce jde o ten "skrytý" bit/řetězec, který ten špion nezná, a který potom v dalších fázích odhalí (statisticky) tu manipulaci s tím prvním. Při tomto ověřování se ta část která je zde použita vyhodí (je při ověřování kompromitována) a klíč je potom jen z toho zbytku.
Omlouvám se, že reaguji takto kompaktně, snad se to tu nezamotá.
Re: Re: Re: Re: Re: Dotaz
F M,2025-04-03 16:20:14
Našel jsem lepší vysvětlení, je to hned u začátku (4), ale není marné přečíst si ty (kraťoučké) 1,2,3. Pěkná vysvětlující tabulka. Dál jsem se nedíval.
https://arxiv.org/html/2312.05609v1
A zapomněl jsem na Heisenbergův princip neurčitosti u toho obecného popisu :-(
Re: Re: Re: Dotaz
Pavel Kaňkovský,2025-04-03 00:53:16
Přečetl jsem si lépe, na co reaguju, a možná to chtělo napsat trochu jinak:
Superpozice znamená, že je kvantový stav tvořen nějakou lineární kombinací různých vlastních stavů.
Mluvit o "superpozici" dvou částic je nesmysl. Můžete mít superpozice různých dvoučásticových stavů. Dvě částice mohou být "propletené" (nebo czenglicky "entaglované"), když tu superpozici dvoučásticových stavů nelze rozložit na nezávislé jednočásticové stavy.
V případě BB84 se bavíme o kvantovém stavu jediné částice. V implementaci je to typicky polarizace jednoho fotonu. Finta je v tom, že to, co je vlastní stav (a tedy i to, co je superpozice), je relativní vůči zvolené bázi.
Odesílatel ty fotony nicméně nevyrábí jako superpozice nějakých stavů (to jsem myslel tím, že tam superpozice nefiguruje přímo), ale rovnou jako vlastní stavy podle zvolené báze. V praxi jako čtyři různé polarizace, vždy dvě a dvě jsou na sebe kolmé (to jsou ty báze) a mezi dvojicemi je úhel 45 stupňů (to odpovídá Hadamardově transformaci mezi nimi). Pokud je chce příjemce správně změřit, tak musí použít správnou bázi, jinak pozoruje superpozici, kde jsou rovnoměrně namíchané oba vlastní stavy, a naměří náhodný výsledek, který bude mít nulovou korelaci s původním stavem.
Pokud se do komunikace pokouší vetřít nějaký padouch, tak neví, jaká báze je pro jaký foton použita (vybírá se náhodně). Musí tedy hádat, ale strefí se jen v polovině případů a v té druhé polovině se netrefí a naměří náhodné hodnoty a tím to naprosto rozbije. (V praxi je to složitější a jsou tam různá slabá místa související s tím, že implementace není dokonalá, a musí se to nějak řešit.)
Re: Re: Re: Re: Dotaz
F M,2025-04-03 16:37:09
Ten výraz zapletení dvou bitů, není zvolen dobře. Už mi docházela energie na hledání Slovince který by byl nekonfliktní a zároveň vysvětlující. Snad je tam to pochopitelné.
Sice se neúčastní přímo té výsledné komunikace, ale ta superpozice mi tam v tom zabezpečení stále nedá pokoje a myslím, že z této strany je důležitá.
Děkuji za ty odkazy, sice jsem toho to trošku pochopil mimoděk, ale samozřejmě si člověk není jistý a potom se v těch hromadících se nejistotách ztratí. Tak to rozšíření "jistého" základu snad pomůže, třeba nejen mě. Děkuji i obecně za reakce zde v diskusi.
Re: Re: Dotaz
Pavel Kaňkovský,2025-04-02 20:36:11
Pokud vím, tak zrovna ten nejklasičtější protokol pro QKD, tj. BB84, superpozici přímo nepoužívá. Snad by se dalo říct, že jí používá nepřímo v tom smyslu, že polarizace v jedné z os první báze se bude jevit jako superpozice polarizací v obou osách druhé báze (pootočené o 45 st.)... doufám, že to není příliš zavádějící metafora.
Novější protokoly moc neznám, tak je možné, že v některém z nich hrají superpozice větší význam.
Kvantové spojení na vzdálenost 12 900 kilometrů
Pavel Kaňkovský,2025-03-30 01:48:02
...je poněkud přikrášlená verze, protože to vypadá, že ve skutečnosti to byla dvě spojení a dvě instance kvantové distribce klíčů: jednou mezi Pekingem a satelitem a podruhé mezi satelitem a Stellenboschem.
Takže satelit v tom figuroval jako důvěryhodný prostředník. Kdyby nad ním někdo cizí získal kontrolu, tak by QKD bylo k ničemu, protože by si klíče přečetl přímo ze satelitu. (Ale je asi pravda, že vhodnou konstrukcí satelitu lze riziko průniku na dálku minimalizovat a fyzický útok na něco, co poletuje na oběžné dráze, je zatím dost nepraktický.)
Re: Kvantové spojení na vzdálenost 12 900 kilometrů
Waldemar Nováček,2025-03-31 12:08:30
Já bych nebyl až tak kritický. Marketing vládne světem a USA na to nemá patent - což je vlastně škoda, protože by paradoxně byl svět přehlednější....
Faktem je, že je to úspěch. Já to čtu jako zprávu o technologickém pokroku...
Re: Kvantové spojení na vzdálenost 12 900 kilometrů
F M,2025-04-02 00:26:25
Ono by to asi jinak ani nešlo, každý mezičlánek ty původní fotony "znehodnotí" a pokud se má pokračovat dál, je třeba generovat nové. Tedy nic jiného mě nenapadá, tedy to natahovací PR nezpochybňuji.
Re: Re: Kvantové spojení na vzdálenost 12 900 kilometrů
F M,2025-04-02 00:57:01
Nevím jak tu konkrétně, ale nebyla tu použita metoda, kdy ty provázané páry vytváří ta družice a následně je odesílá zúčastněným? Podle textu zde mi to tak připadá. To by asi i bylo korektní psát celou složenou délku, ovšem to napadnutí (převzetí) satelitu by to neřešilo, ale to netuším jestli je reálné (backdoor?).
Re: Re: Re: Kvantové spojení na vzdálenost 12 900 kilometrů
Pavel Kaňkovský,2025-04-04 12:51:11
Našel jsem toto: https://arxiv.org/abs/2408.10994v1
Je v tom několikrát zmíněno "satellite-to-ground QKD" a "BB84". Použitý protokol je zřejmě nějaká varianta BB84. Není tam nic, co by nasvědčovalo, že to vyrábí nějaké provázané páry.
Re: Re: Re: Re: Kvantové spojení na vzdálenost 12 900 kilometrů
F M,2025-04-04 18:16:59
Tady střízlivější výraz z abstraktu přímo k tomuto tématu https://www.nature.com/articles/s41586-025-08739-z : Mezi Čínou a Jižní Afrikou je také vytvořen tajný klíč, který umožňuje jednorázové blokové šifrování snímků, na místech vzdálených více než 12 900 kilometrů na Zemi. Kompaktní kvantová užitečná zátěž může být snadno sestavena na existujících vesmírných stanicích (10) , (11) nebo malých satelitech (12) , čímž se otevírá cesta pro kvantovou a klasickou síť založenou na družicových konstelacích pro rozsáhlé aplikace v reálném životě.
Víc se asi nedozvíme, ale bude to tak, že ten satelit generuje ten klíč a vše související. Myslím, že by se pochlubili, pokud by to bylo nějak "speciální" (i ten arxiv, nic jsem tam také nezahlédl), takže provázané páry nejspíš ne (skoro jistě). Vypadá to, že je to již použitelné.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
