Τετάρτη, 6 Ιανουαρίου 2010

Η κβαντομηχανική στην πράξη: Κρυπτογράφηση


Ο Αϊνστάιν και οι επιστημονικοί του σύμμαχοι προσπάθησαν, πριν από επτά δεκαετίες, να αποδείξουν ότι η κβαντομηχανική δεν έχει βάση. Απέδειξαν, μεταξύ άλλων, ότι σύμφωνα με την κβαντομηχανική, η μέτρηση ενός σωματιδίου μπορεί να έχει αποτέλεσμα τη μεταβολή των ιδιοτήτων άλλου σωματιδίου, ανεξάρτητα από τη θέση που αυτό έχει. Η ιδιότητα αυτή που ονομάζεται αλληλεξάρτηση, θεωρήθηκε αδύνατο να υπάρχει στη φύση.
Κρυπτογράφηση
Πρόσφατες έρευνες έρχονται, όμως, να διαψεύσουν τις υποθέσεις του διάσημου φυσικού. Τα πειράματα δείχνουν ότι η αλληλεξάρτηση υπάρχει και ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποτελεσματική κρυπτογράφηση τραπεζικών κωδικών ή διπλωματικών επικοινωνιών. Η κβαντική κρυπτογραφία θα δώσει τη δυνατότητα σε δύο σταθμούς να επικοινωνούν χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες των αλληλεπιδρώντων σωματιδίων. «Το σημαντικό προσόν της κβαντικής κρυπτογραφίας είναι ότι δεν χρειάζεται κανείς να ανησυχεί για το σπάσιμο των κωδίκων. Οι μόνοι περιορισμοί δημιουργούνται από τους νόμους της κβαντομηχανικής», λέει ο Αμερικανός καθηγητής Πολ Κουάιατ. Για την ανάπτυξη του νέου αυτού συστήματος χρησιμοποιήθηκαν αλληλένδετα σωματίδια φωτός (φωτόνια) για τη δημιουργία κρυπτογραφικών κωδικών. Η ομάδα του καθηγητή Τόμας Γενεβίν, στη Βιέννη, κατασκεύασε σύστημα που παράγει μεγάλο αριθμό κβαντικών κωδικών σε ελάχιστο χρόνο, τους οποίους χρησιμοποιεί στη συνέχεια για να κρυπτογραφήσει τη δυαδική ακολουθία μηδενικών και μονάδων που απαρτίζουν μία ψηφιακή φωτογραφία. Η κρυπτογραφημένη φωτογραφία στάλθηκε μέσω κοινού δικτύου υπολογιστή σε άλλον υπολογιστή ο οποίος την αποκρυπτογράφησε. Η ομάδα του καθηγητή Κουάιατ κατάφερε μάλιστα να εντοπίσει συσκευή που είχε παρεμβληθεί στο σύστημα ώστε να προσομοιώνει μηχανισμό παρακολούθησης.
Το πρόβλημα του Αϊνστάιν
Ο Αϊνστάιν θεωρούσε ότι το σημαντικότερο πρόβλημα της κβαντομηχανικής είναι η δυσκολία που αντιμετωπίζει ο άνθρωπος να παραδεχθεί ότι ο κόσμος λειτουργεί με τέτοιον τρόπο. Σύμφωνα με τη κβαντομηχανική, τα σωματίδια δεν έχουν συγκεκριμένες ιδιότητες μέχρις ότου αυτές μετρηθούν από όργανο μέτρησης. Μέχρι τη μέτρησή τους, τα σωματίδια μπορούν να υφίστανται σε πολλά σημεία ταυτοχρόνως. Μετά τη μέτρηση, όμως, το σωματίδιο αποκτά υπόσταση στη θέση στην οποία ανακαλύφθηκε. Οι ίδιες αρχές ισχύουν και για τον καθορισμό της πολικότητας του φωτονίου, του κβαντικού μεταφορέα του φωτός, το οποίο έχει τη δυνατότητα να πάλλεται οριζοντίως, καθέτως ή ακόμη και σε δύο διαφορετικούς κάθετους μεταξύ τους άξονες, έως ότου εντοπισθεί. Μόλις το φωτόνιο συναντήσει φίλτρο, το οποίο λειτουργώντας σαν γυαλιά ηλίου, επιτρέπει σε σωματίδια μόνο μιας πολικότητας να το διαπεράσουν, η πολικότητά του γίνεται γνωστή και ορισμένη.
Ζεύγη φωτονίων
Αν δύο φωτόνια είναι συνδεδεμένα και το ένα από αυτά διαπιστωθεί ότι έχει οριζόντια πολικότητα, τότε και το άλλο θα έχει ίδια πολικότητα. Η αρχή της κβαντικής κρυπτογραφίας συνίσταται στη δημιουργία ζευγών αλληλεπιδρώντων φωτονίων και την αποστολή του καθενός από αυτά στον έναν από τους δύο αποδέκτες του κρυπτογραφημένου μηνύματος. Οι δύο αποδέκτες υπολογίζουν την πολικότητα των φωτονίων χρησιμοποιώντας φίλτρα, τα οποία είναι τοποθετημένα σε τυχαίες κατευθύνσεις. Αν και οι δύο παρατηρητές επιλέξουν να μετρήσουν κάποιο φωτόνιο με φίλτρα ίδιας κατεύθυνσης, μόνο τότε πρόκειται να έχουν ίδια αποτελέσματα.
Επικοινωνία μέσω τηλεφώνου
Στην περίπτωση αυτή οι δύο παρατηρητές επικοινωνούν μέσω απλής τηλεφωνικής γραμμής, αφού έχουν συγκεντρώσει αρκετά φωτόνια για τον κώδικά τους, αποκαλύπτοντας την κατεύθυνση των φίλτρων τους, όχι, όμως, και το αν είχαν ή όχι ίδια αποτελέσματα. Αυτό δεν είναι απαραίτητο, αφού εξαιτίας του φαινομένου των αλληλένδετων σωματιδίων, γνωρίζουν ότι εξήγαγαν και οι δύο τα ίδια συμπεράσματα. Κάθε θετική παρατήρηση μπορεί έτσι να απεικονισθεί ως μονάδα, ενώ κάθε αποτυχημένη παρατήρηση, ως μηδέν, δημιουργώντας ένα δυαδικό κώδικα. Στην περίπτωση υποκλοπής του σήματος, ο απρόσκλητος επισκέπτης μπορεί να εντοπισθεί αφού οι παρατηρήσεις μεταξύ των δύο σταθμών θα έχουν παρεκκλίσεις.
http://www.physics4u.gr/