Foto Lars Lüder via Hebreeuwse Universiteit
Quantum computers zullen een revolutie teweegbrengen in ons computerleven. Voor sommige kritieke taken zullen ze verbijsterend sneller zijn en veel minder elektriciteit verbruiken dan de huidige computers.
Maar dit is het slechte nieuws: deze computers zullen in staat zijn om de meeste coderingscodes te kraken die momenteel worden gebruikt om onze gegevens te beschermen, waardoor onze bank- en beveiligingsinformatie kwetsbaar blijft voor aanvallen.
Momenteel is de meeste computerbeveiliging afhankelijk van wiskundige manipulaties die momenteel een zeer hoog beveiligingsniveau garanderen - het zou een gewone computer miljarden jaren kosten om een van die codes te kraken. In onze kwantumtoekomst zullen echter nieuwe versleutelingsmethoden moeten worden ontwikkeld die gebaseerd zijn op de wetten van de fysica, in plaats van op wiskundige vergelijkingen.
Een vruchtbare benadering is om de kwantumeigenschappen van enkele fotonen (lichtdeeltjes) te gebruiken om een bericht veilig te versleutelen, zodat elke poging om het te hacken onmiddellijk kan worden gedetecteerd door zowel de afzender als de ontvanger. Het vinden van een geschikte bron van enkele fotonen was echter een enorme uitdaging.
Nu heeft een team van onderzoekers, geleid door professor Ronen Rapaport en Dr. Hamza Abudayyeh van het Racah Institute of Physics aan de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem (HU), samen met professor Monika Fleischer, Annika Mildner en anderen aan de Universiteit van Tübingen in Duitsland, een belangrijke doorbraak bereikt. Hun bevindingen brengen ons dichter bij een eenvoudige en efficiënte methode van kwantumversleuteling en werden gepubliceerd in de recente editie van ACS Nano.
De onderzoekers aan het werk. Foto Yitz Woolf via Hebreeuwse Universiteit
Banken en overheidsdiensten investeren al fors in kwantumversleuteling die afhankelijk is van laserstralen. Laserstralen geven echter vaak meerdere of helemaal geen fotonen tegelijk af. Wat nodig is voor optimale veiligheid is een bron die een snelle maar gestage stroom van enkele fotonen kan uitzenden - in één richting en bij kamertemperatuur.
Het team van HU ontwikkelde een systeem dat gebruikmaakt van fluorescerende kristallen in de vorm van spikkels die zo klein zijn dat er speciale microscopen nodig zijn om ze te zien. Bekend als kwantumstippen, meet elke stip veel minder dan een duizendste van de breedte van een mensenhaar. Een laserstraal die op de kwantumstip scheen, zorgt ervoor dat deze fluoresceert en een stroom afzonderlijke fotonen uitstraalt.
Deze kwantumstippen zijn afzonderlijk op gouden speldenknopjes gemonteerd – behalve natuurlijk dat het een nano-speldenkop of nanokegel is, bijna honderdduizendste zo groot als een gewone speldenknop. Nanocone zijn in staat om de quantum dot-emissie van fotonen 20-voudig te verhogen. Deze stroom fotonen wordt vervolgens in één richting afgeschoten door een 'Bragg-rooster' dat als een soort antenne fungeert.
Het HU-Tübingen-apparaat is niet alleen handig voor kwantumversleuteling, maar ook in andere situaties die afhankelijk zijn van quantum bits om informatie te coderen, zoals kwantumberekening. "Op dit moment hebben we een goed prototype dat het potentieel heeft voor commercialisering in de nabije toekomst", vertelde Ronen Rapaport.
Het voordeel van kwantumcryptografie ligt in het fysieke determinisme. "Wetenschapswetten kunnen niet worden gebroken - een enkel foton kan niet worden gesplitst, hoe hard men ook probeert. Wiskundige complexiteiten zijn misschien heel moeilijk op te lossen, maar ze zijn kwetsbaar voor aanvallen en inbreuken in tegenstelling tot op kwantum gebaseerde beveiligingssystemen”, legt Hamza Abudayyeh uit. Het team verbetert momenteel hun apparaat, zodat het een nog betrouwbaardere en efficiëntere stroom van enkele fotonen kan bieden die in een breed scala aan kwantumtechnologieën kunnen worden gebruikt.
