Experimental Quantum Key Distribution in an Indefinite Causal Order

Stel je het universum voor als een gigantisch, bruisend treinstation waar gebeurtenissen normaal gesproken in een strikte lijn plaatsvinden: je koopt een kaartje, dan stap je aan boord van de trein, en dan kom je aan. In onze alledaagse wereld komt de oorzaak altijd vóór het gevolg, en is de volgorde van gebeurtenissen even vast als de rails zelf. Maar in de vreemde, magische wereld van de kwantumfysica wordt het een beetje wankel. Wetenschappers hebben ontdekt dat op de allerkleinste schaal de "volgorde" van gebeurtenissen niet altijd in steen gebeiteld is. Het is alsof twee treinen op een spoor kunnen rijden die tegelijkertijd "Trein A dan Trein B" EN "Trein B dan Trein A" zijn. Dit breinbrekende idee wordt "indefinite causal order" (onbepaalde causale volgorde) genoemd.

Waarom zouden we dit belangrijk vinden? Omdat deze vreemdheid niet slechts een trucje is; het kan de sleutel zijn tot het bouwen van onkraakbare codes voor geheime berichten. Normaal gesproken beveiligen we een bericht met complexe wiskunde om het te versleutelen. Maar kwantumfysica biedt een ander soort schild: de handeling van een spion die probeert mee te kijken, kan de speciale "superpositie" die de code laat werken, verstoren. Als een spion probeert mee te luisteren, kantelt het delicate kwantum evenwicht en zegt het geheime bericht: "Hé, er is iemand aan het kijken!" Dit nieuwe onderzoek onderzoekt een manier om deze "vage volgorde" van gebeurtenissen te gebruiken om spionnen te betrappen zonder eerst het geheime bericht te hoeven laten zien.

De Quantum Switch en het Geheime Spionnen-spel

In dit opwindende nieuwe experiment besloten een team van natuurkundigen uit Wenen en Glasgow een wilde gedachte te testen: kunnen we deze "indefinite causal order" gebruiken om een spion te betrappen die probeert een geheime sleutel te stelen? Ze bouwden een apparaat genaamd een Quantum SWITCH. Denk bij deze switch niet aan een lichtknopje dat je omhoog of omlaag klikt, maar aan een magische verkeersregelaar voor fotonen (lichtdeeltjes).

In een normale wereld, als je een bericht van Alice naar Bob wilt sturen, doet Alice haar deel, en daarna doet Bob het zijne. Het is een rechte lijn. Maar in de Quantum SWITCH wordt de volgorde in een superpositie geplaatst. Het is als een muntworp die plaatsvindt terwijl het bericht reist. Soms gaat het bericht Alice-dan-Bob, en andere keren gaat het Bob-dan-Alice, maar omdat het kwantum is, doet het beide tegelijkertijd. De "munt" die de volgorde bepaalt, is een speciale controle-bit.

Het team gebruikte deze opstelling om een spel van "Quantum BB84" te spelen, een beroemd protocol voor het creëren van geheime sleutels. In de oude, standaardversie van dit spel moeten Alice en Bob achteraf hun aantekeningen controleren. Ze vergelijken publiekelijk een paar van hun geheime bits om te zien of een spion, laten we haar Eve noemen, ermee heeft geknoeid. Als ze fouten vinden, gooien ze die bits weg en proberen ze het opnieuw. Het is een beetje zoals het controleren van je post op manipulatie door een paar enveloppen te openen en de brieven te lezen, wat verspillend en traag is.

De Grote Ontdekking
Dit artikel rapporteert de eerste keer dat iemand deze "indefinite order"-truc succesvol heeft geprobeerd in een echt laboratorium. De onderzoekers ontdekten dat door Alice en Bob in de Quantum SWITCH te plaatsen, ze Eve konden betrappen zonder ooit de geheime enveloppen te openen!

Zo werkt het: Wanneer Alice en Bob in de switch zitten, interfereren de twee mogelijke volgordes (Alice-Bob en Bob-Alice) met elkaar als rimpelingen in een vijver. Als er niemand kijkt, vallen deze rimpelingen perfect samen en blijft de "controle-munt" in een gelukkige, gebalanceerde staat. Maar als Eve halverwege in het bericht probeert mee te kijken, verstoort zij de rimpelingen. Deze verstoring verbreekt het perfecte evenwicht, waardoor de controle-munt naar een andere staat kantelt.

Door simpelweg de staat van deze controle-munt te controleren, kunnen Alice en Bob zien of er een spion aanwezig is. Ze hoeven geen enkele van hun geheime sleutelbits te onthullen om dit te doen. Sterker nog, elke enkele bit die ze behouden, kan worden getest op spionage terwijl deze nog steeds wordt gebruikt om de geheime sleutel te maken.

Wat ze vonden
Het experiment was een "proof of principle", wat betekent dat het bewees dat het idee in theorie en praktijk werkt, ook al is het nog geen volledig klaar voor gebruik systeem voor beveiliging.

• Het betrappen van de Spion: Wanneer ze een spion simuleerden die probeerde het bericht te stelen, detecteerde het team haar aanwezigheid met een gemiddelde waarschijnlijkheid van 0,15 ± 0,02 per gedeelde bit. Dit betekent dat voor elke bit informatie die ze deelden, er een kans van ongeveer 15% was dat de aanwezigheid van de spion werd opgemerkt door alleen naar de controle-munt te kijken.
• Succespercentage: Zonder een spion creëerden Alice en Bob 96,4 ± 0,004% van de tijd succesvol een gedeelde geheime bit.
• Vals Alarm: Soms denkt de machine dat er een spion aanwezig is terwijl dat niet zo is (een vals alarm). In hun opstelling gebeurde dit 0,033 ± 0,002 van de tijd, voornamelijk omdat de kwantum-"rimpelingen" niet perfect vloeiend waren.

De Addertjes onder het gras (en de Toekomst)
Het artikel is zeer eerlijk over de beperkingen ervan. Om dit te laten werken, moesten ze een speciale truc gebruiken waarbij gebruik werd gemaakt van "post-selection". Stel je voor dat je probeert een specifiek type vis te vangen, maar je net werkt alleen als je precies twee vissen tegelijk vangt. Als je er één of drie vangt, moet je de hele poging weggooien en opnieuw beginnen. De onderzoekers moesten veel pogingen weggooien omdat hun licht-gebaseerde poorten een beetje "probabilistisch" zijn (ze werken niet 100% van de tijd). Vanwege deze reden claimt het artikel niet dat dit een volledig veilig, onkraakbaar systeem is dat klaar is voor banken of overheden. Het is een demonstratie dat het idee werkt.

Echter, de resultaten zijn een enorme stap voorwaarts. Ze bewezen dat "indefinite causal order" een echte, bruikbare hulpbron is. Het biedt een nieuwe manier om afluisteraars te detecteren die geen vereist hebben om geheime bits op te offeren om hen te controleren. Zoals de auteurs suggereren, zou toekomstige versies van deze technologie, die niet afhankelijk zijn van het weggooien van data, kunnen leiden tot een nieuwe generatie ultra-veilige kwantumcommunicatie waarbij de volgorde van de tijd zelf helpt om onze geheimen te bewaken.