Vårt kvantkryptografisystem

Lasern sänder ut en ljusstråle vid 405 nm våglängd, dvs med violett färg. Strålen riktas mot en speciell kristall som genererar parvisa fotoner (ljuspaket) med 810 nm våglängd (infrarött), några miljoner per sekund. Av dem fångar kvantkrypteringsapparaten upp omkring 20 000 på varje sida. En av fotonerna i varje par fortsätter rakt fram och fångas in i en optisk fiber. Den andra studsar på en spegel och fångas in av en annan fiber.

Via fibrerna fortsätter varje foton till en polariserande stråldelare (en halvgenomskinlig spegel). De fotoner som blir vertikalt polariserade studsar in i en fiber som motsvarar en nolla, de horisontellt polariserade går rakt fram in i en fiber som motsvarar en etta. Fibrerna för fotonerna vidare till en detektor som räknar dem en och en och signalerar etta eller nolla. Användarna kan välja vilken riktning som räknas som "vertikal" strax före den polariserande stråldelaren.

Kvantkrypto är ett sätt att skicka en kryptografisk nyckel så att det märks om någon har lyssnat. Man kodar in sin binära kryptonyckel i enstaka fotoners polarisation. Vertikal polarisation motsvarar en nolla och horisontell motsvarar en etta. Källan är sådan att polarisationen är lika hos bägge fotonerna i ett par, vilket gör att de två användarna får samma data i form av en lista med ettor och nollor. Genom att variera vilken riktning som räknas som "vertikal" garanterar de att ingen kan komma åt informationen utan att avslöjas. Den som försöker tjuvlyssna vet inte vilken inställning som valts, utan måste gissa för varje enskild foton. Men i enlighet med kvantmekanikens osäkerhetsrelation påverkas då fotonens egenskaper. Detta märks som brus i den färdiga nyckeln och avsändaren och mottagaren kan då avslöja avlyssningen.

Kvantkryptering har stadigt växt under närmare trettio år från teoretiskt koncept (1984) via laboratorieexperiment (1990) till ett område med flera leverantörer av utrustning för praktiskt bruk (idag). Ämnet ingår numera som standard i moderna kursböcker i kryptoteknik, och är det första system baserat på kvantmekanisk databehandling som blivit kommersiellt tillgängligt. I praktiken används kvantkrypto än så länge bara på försök av en handfull banker och telekomföretag. Avståndet mellan sändare och mottagare i kommersiella system kan inte vara större än 50-60 kilometer. På längre sträckor blir förlusterna i den optiska fibern alltför stora.

Den utrustning vi har på ISY, i Informationskodningsgruppen, är avsedd för studentlaborationer, och är inte något av de kommersiella system som finns. Utrustningen består av en fotonkälla som sänder ut s k "snärjda" (på engelska "entangled") fotonpar, och två mottagarstationer som vardera använder en polariserande stråldelare och två enkelfotondetektorer. Källans kvantmekaniska egenskap är att de två fotonerna alltid har lika polarisation, om de två användarna valt samma riktning som "vertikal." Systemet har levererats av en forskargrupp inom Linnécentret för kvantinformatik vid SU.

Studenterna får alltså numera pröva kvantkryptering, i kursen Kryptoteknik på LiU. Tekniken ingick även tidigare i kursen men bara som teoretisk genomgång, och att sätta upp och mäta på en existerande länk med denna typ av kommunikation ger en helt annan förståelse. Studenterna får därför utföra en praktisk laboration på ett verkligt kvantkryptosystem. Man stöter på kvantmekanik i informationssystem även i andra kurser, t ex i doktorandkursen Kvantinformatik här på ISY eller kursen Kvantdatorer på IFM. På sikt kan andra kurser dra nytta av utrustningen eftersom den hjälper till med förståelsen av kvantmekanikens märkliga värld.