Verdens Fysikk�r 2005

Fysikkdrypp - Kvantekryptografi - sv�rt hemmelig

Lys kan betraktes som en b�lge som svinger p� tvers av retningen lyset g�r i. Retningen denne b�lgen svinger i kalles polarisasjonen til lyset. Denne polarisasjonen er det vi oppfatter f.eks. n�r vi bruker polarisasjonsbriller (Polaroid). Hvis filteret i polarisasjonsbrillen st�r vertikalt, vil den bare slippe igjennom lys som er vertikalt polarisert, mens horisontalt polarisert lys ikke vil slippe igjennom. Men lys som st�r 45 grader p� filteret vil slippe igjennom med 50% sannsynlighet, og etter det har passert filteret, vil det som har sluppet gjennom v�re vertikalt polarisert! Det er disse to siste egenskapene til polarisert lys som blir utnyttet i det som heter kvantekryptering.

N�r man skal formidle hemmeligheter over lange avstander har man et problem; hvordan skal vi f� sagt det vi vil og v�re helt sikker p� at ingen avlytter oss? B�de enkeltpersoner, bedrifter og offentlige instanser - ikke minst millit�ret - kan v�re interessert i det. Svaret er at vi m� ha en n�kkel, slik at senderen "l�ser" meldingen sin med sin n�kkel, og mottakeren l�ser den opp med sin n�kkel. En slik kan n�kkel er en m�te � kode meldingen p� slik at den bli uleselig for alle som ikke har n�kkelen, og derfor kan selve meldingen sendes over �pne kanaler, fordi en som avlytter samtalen ikke vil kunne lese meldingen ettersom han ikke har n�kkelen. Problemet er at avsender og mottaker m� bli enige om n�kkelen, og hvordan skal man gj�re det om man risikerer � bli avlyttet? Det finnes teknikker for dette i dag som er forholdsvis sikre, men kvantekryptering er en ny m�te � fordele n�kler p� som er ett hundre prosent sikker, fordi om noen avlytter overf�ringen vil de to som snakker sammen kunne oppfatte det som feil i n�kkelen.

La oss tenke oss at Anders og Birgitte skal finne en delt, hemmelig n�kkel best�ende av en serie 0 og 1. Anders kan sende lyspulser (fotoner) enten horisontalt/vertikalt (H) eller diagonalt (D) polarisert, hvor man fra f�r er enige om hva som er 0 og hva som er 1. Han velger f�rst tilfeldig hvilken basis han vil bruke, og deretter tilfeldig 0 eller 1 i denne basisen. P� samme m�te m�ler Birgitte de lyspakkene hun mottar i H eller D-basis. S� hvis Anders sender et foton som er polarisert i H-basisen, men Birgitte m�ler i D-basisen, vil det Birgitte m�ler v�re helt tilfeldig. Bare hvis de sender og mottar i samme basis, vil de v�re sikre p� at Birgitte f�r det Anders sender. La oss si at Anders sender f�lgende ti bit:

1 0 0 0 1 1 1 0 0 0

V V V D V V D V D D

Og Birgitte m�ler og finner f�lgende:

1 1 0 0 0 1 1 0 1 0

V D D D D V V V V D

Vi ser at Anders og Birgitte bruker samme basis for bit nummer 1, 4, 6, 8 og 10, og Birgitte f�r da samme resultat som Anders sender, men i de andre bitene er det helt tilfeldig hva Birgitte m�ler. N� kan Birgitte ringe Anders, alts� p� en usikret linje og fortelle ham hvilke basiser hun brukte, og Anders vil fortelle henne om dette var riktig basis. Dermed vil Birgitte sitte igjen med de riktige bitene 10100 - noe som blir den felles n�kkelen som begge n� kjenner. For en uteforst�ende som avlytter telefonen vil samtalen ikke gi noe informasjon om hva n�kkelen er. Men hvorfor er dette helt sikkert?

Jo, tenk deg at onde Erling sitter mellom Anders og Birgitte og pr�ver � oppfatte det Anders sender. N�r onde Erling har m�lt en bit, vil han, dersom han har m�lt i feil basis ikke vite hva han skal sende videre til Birgitte (og han kan heller ikke vite hva som er riktig basis!). S� hvis Anders og Birgitte plukker ut en andel av de bitene der de har m�lt i samme basis, og sjekker at de har samme verdi, vil de raskt oppdage om det er noen i midten som �delegger overf�ringen.

Vi har s�vidt begynt � kunne bruke kvantekryptering, og det er noen f� firma som selger slikt. Men det er ikke vanskelig � sp� at det kommer til � bli mye vanligere i framtiden. En dag sitter du kanskje og logger deg inn p� nettbanken med hjelp av kvantekryptering?

Mer om kvantekryptografi:

Stein Olav Skr�vseth Stipendiat, Institutt for fysikk, NTNU.