שיחת הווידאו הראשונה בהצפנה קוונטית

לפני כשבועיים התקיימה שיחת וידאו בין נשיא האקדמיה הסינית למדעים לעמיתו מהאקדמיה האוסטרית. שיחות כאלה כבר מזמן אינן חידוש, אבל הפעם מדובר בנקודת ציון בקורותיה של טכנולוגיית הצפנה חדשנית במיוחד, שמתבססת על עקרונות יסודיים של מכניקת הקוונטים.

מקובל לחשוב על הצפנה כעל מושג מעולמות הריגול, אך למעשה כולנו משתמשים בה באופן יומיומי. לדוגמה, בלעדיה כל הפרטים שאנחנו מעבירים באינטרנט, ובכלל זה הודעות דואר, צ'טים, אמצעי תשלום וסיסמאות, היו נגישים לכל מי שירצה לנצלם למטרותיו.

הבעיה שההצפנה הקוונטית מבקשת לפתור היא החלפת מפתחות ההצפנה: נניח ששני אנשים, איריס ובני רוצים להעביר ביניהם מסרים בערוץ תקשורת שאנשים נוספים עלולים להאזין לו – למשל שיחת טלפון, תשדורת רדיו או אינטרנט. אחת השיטות היעילות והבטוחות להצפנת מסרים בערוץ כזה נקראת הצפנה סימטרית – שבמסגרתה אותו קוד (מפתח ההצפנה) המשמש להצפנת ההודעה, משמש גם לפענוח שלה, ממש כמו במנעול רגיל.

איך תוכל איריס לשלוח לבני את מפתח ההצפנה כדי לאפשר לו לפענח אותו בלי לחשוש שאדם אחר "יירט" את המפתח בדרך ויעתיק אותו? נכון שאיריס ובני יכולים להיפגש ולהחליט על סיסמה בחשאי, אבל באינטרנט, שהמסרים בו עוברים בין מיליוני אנשים על פני מרחקים עצומים, צריך פתרון מעשי יותר.

כיום מתמודדים עם הבעיה על ידי כך שמצפינים את מפתח ההצפנה עצמו בשיטה אחרת, שכדי לפרוץ אותה דרוש זמן וכוח חישוב עצום. אבל הפיזיקה מציעה דרך אחרת ליצור מפתח הצפנה, שתבטיח לאיריס ובני שהמפתח שבידיהם יישאר סודי ורק שלהם.

על מה דיברו שם? זה מוצפן. שיחת הוידאו הראשונה בהצפנה קוונטית | צילום: האקדמיה האוסטרית למדעים

סודות המדידה

בלב טכניקת ההצפנה הקוונטית עומד עקרון אי-הוודאות של הייזנברג, שקובע שאי אפשר לבצע במערכת קוונטית מדידה שתיתן לנו מידע על כל תכונותיה. אפשר לדוגמה לחשוב על אובייקט בעל שתי תכונות – צבע וצורה, ולכל תכונה שתי אופציות – אדום/כחול וקובייה/כדור בהתאמה. בעולמנו אין לנו כל קושי לקבוע בוודאות שאובייקט הוא גם אדום וגם כדור, אך במערכות קוונטיות המצב שונה. במערכת כזו, אם נמדוד את צבעו של אובייקט ונמצא שהוא אדום, לא נוכל להגיד דבר מרגע זה על צורתו, פרט לכך שבמדידה הבאה תהיה סבירות זהה שהאובייקט הוא קובייה או כדור.

אותו הדבר נכון גם בכיוון ההפוך: אם נמדוד את צורתו של האובייקט ונגלה שהוא קובייה, לא נוכל עוד להגיד דבר על צבעו, אף שקודם צבעו היה אדום. כלומר מדידת התכונה של מצב קוונטי משנה את המצב עצמו ומעלימה את המידע הקודם שיש לנו לגבי תכונות אחרות.

התופעה הזו מבטיחה לכאורה סודיות למשתמשים בהצפנה קוונטית: נניח שאיריס מייצרת אובייקט כזה, מודדת את אחת התכונות שבחרה באקראי ורושמת בכל פעם את המדידה ואת התוצאה. היא שולחת את האובייקט לבני וגם הוא מודד תכונה שבחר באקראי ורושם את התוצאה. לבסוף, אחרי שנשלחו מספיק אובייקטים, איריס ובני יכולים להשוות ביניהם את סוגי המדידות שעשו ואת תוצאותיהן. הם מתעלמים מהמקרים שבהם כל אחד מדד תכונה אחרת ומשווים רק בין התוצאות שהתקבלו כששניהם מדדו את אותה תכונה.

אם האובייקט עבר ללא הפרעה, שניהם אמורים לקבל את אותה תוצאה בכל פעם. אם הם מגלים הבדל בצבע, ייתכן שזה קרה מפני שאי שם בדרך מישהו אחר מדד את צורת האובייקט, וכך הרס את מצב הצבע שלו. במקרה כזה איריס ובני יכולים לדעת שיש מאזין לקו, ולנסות לשלוח את המפתח בערוץ אחר.

חזרה לשיחת הווידאו המוצפנת שלנו: הצד האוסטרי והצד הסיני החליפו מפתח הצפנה קוונטי. האובייקטים שהם מדדו היו פוטונים – חלקיקי אור – והתכונות שנמדדו היו מצבי הקיטוב של הפוטונים בבסיסים שונים. את הפוטונים קיבלו שני הצדדים מלוויין תקשורת סיני ששוגר למטרה זו. בפועל הפוטונים היו שזורים ופרוטוקול בניית המפתח היה שונה מעט ממה שתיארנו, אבל נשען על עקרונות דומים. החלפת המפתחות הקוונטיים הייתה מוצלחת ובסיומה התפנו הצדדים לשיחת הווידאו המוצפנת עצמה, שבה דיברו אולי על עתיד שבו לווייני תקשורת ומערך סיבים יאפשרו לכולם ליהנות מהצפנה שכזו, וייתכן שאף תכננו את הצעדים הבאים בפיתוח הטכנולוגיה.