Tiedonsiirtoa kvanteittain

Yksi tietoturva-asiantuntijoiden unelma on luoda kvantti-internet, joka mahdollistaisi täysin turvallisen kvanttimekaniikan lakeihin perustuvan viestinnän. Tällöin tiedonsiirron perusajatuksena on, että kvantin mittaus sotkee aina sen tilan joten kvanteilla toimivan tiedonsiirron salakuuntelu paljastuu heti.

Jo vuosikymmen sitten lähinnä sveitsiläiset tutkijat kehittivät laitteita, jotka voivat siirtää yksittäisiä fotoneja optisissa kuiduissa. Nykyään nämä jo kaupallistuneet järjestelmät toimivat kertakäyttöisten salausavainten jakelujärjestelminä.

Avainten siirtoon käytettävä noin sadan kilometrin pituinen yhtenäinen optinen kuitu voi olla vain tässä käytössä ja varsinainen viestintä tapahtuu perinteisellä yhteydellä. Mutta jos esimerkiksi 256-bittistä salausavainta vaihdetaan kerran minuutissa, on salauksen purku käytännössä mahdotonta.

Koska tällainen järjestelmä toimii vain pisteestä pisteeseen, on maailmalla hahmoteltu erilaisia laajempia yhteyksiä mahdollistavia järjestelmiä.

Los Alamos National Labs New Mexicon tutkijoiden jo kokeilema ehdotus aiheesta on nämä päätepisteet keskittimeen kokoava ratkaisu. Keskittimessä kvanttibitit muunnetaan tavallisiksi biteiksi ja sitten toiselle osuudelle lähetettäessä takaisin kvanttibiteiksi.

Ratkaisua yksinkertaistaa se, että jokainen verkon solmu varustetaan vain kvanttilähettimillä eli lasereilla mutta ei fotoni-ilmaisimilla. Järjestelmä on tosin suojattu, vain niin kauan kuin keskitin, on turvattu. Keksitinratkaisun ongelmana on myös heikko skaalautuvuus suuremmiksi järjestelmiksi.

Varsinainen kvantti-internetti vaatisi puolestaan kvanttiperiaatteella toimivia reitittimiä ja itse varsinaisen datansiirron toteuttamista teleportaatiolla. Sellaisen toteuttaminen taas vaatisi kvanttitietokoneissakin tavoiteltavaa elektronien lomittumista.

Aivan äskettäin Delftin teknisen yliopiston tutkijat ovat onnistuneet saamaan kaksi elektronia kvanttilomittuneeseen tilaan kolme metrin etäisyydellä toisistaan. Periaatteessa etäisyys voi olla mikä tahansa ja aiemmin on jo onnistuttu lomittamaan kvanttibittejä samalla sirulla.

Seuraava askel tutkimuksessa on elektronien teleportaatio. Se on vielä varsin teoreettinen rakennelma vaikka yksittäisiä fotoneja onkin teleportattu eri tavoin jo yli sadan kilometrin etäsyydelle.

Teoriassa on mahdollista teleportata hiukkasen tila suurenkin etäisyyden kautta toiseen hiukkaseen lomittumisen avulla. Kvanttiteleportaatio ei siirrä itse materiaalia, vain kyseisen materiaalin tilan. Mutta koska kaikki alkeishiukkaset ovat identtisiä, yhden elektronin kvanttiteleportaatiolla toiseen on sama vaikutus kuin elektronin siirtämisellä.

Myös Cambridgen ja Gdanskin yliopistossa sekä University College Londonissa on yhteistyönä paneuduttu aiheeseen ja kehitetty teoreettisella tasolla aiempaa tehokkaampaa teleportaation protokollaa.