Ladda ner filen här. - Illustrerad Vetenskap

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
50
Cromalin-godk. Red sek.: Layouter: HB.: Prod.:
obrytbara koder
susar Jorden runt
J
ulius Caesar, romarnas namnkunnige
kejsare, stod för över 2 000 år sedan
inför ett svårt dilemma. Med en gigantisk
här som romarrikets var kejsaren
beroende av att kunna utväxla order och
rapporter även med de mest avlägsna
delarna av riket. Risken för att meddelandena
på vägen skulle snappas upp av
fiender var överhängande. Romarna hittade
dock en lösning.
Genom att skriva budskapen till de
segerrika legionerna i en hemlig kod
undvek kejsaren att statshemligheterna
avslöjades, även om breven hamnade i
fientliga händer. I dag skulle Caesars kod,
Av Rolf Haugaard Nielsen
som bara flyttade bokstäverna tre platser
framåt i alfabetet, vara en barnlek för
vilken hacker som helst, men genom historien
har kodsystemen blivit allt mer
utspekulerade. Vår tids bästa kryptering,
som används för militär och civil kommunikation,
har ännu aldrig knäckts.
Världshistorien är emellertid rik på
exempel på att även fullständigt ”obrytbara”
koder förr eller senare knäcks. Runt
hörnet väntar så kallade kvantdatorer,
som utnyttjar fysikens lagar till att räkna
med hjälp av atomer i stället för med
transistorer. Ingen vet hur länge koderna
kommer att hålla stånd mot kvantdato-
År 2012 sände österrikiska
forskare kvantkodade
fotoner mellan öarna
La Palma och Teneriffa.
rernas massiva räknekraft. Därför har
fysiker och kryptologer under de senaste
två årtiondena utvecklat en ny teknik
kallat kvantkryptering.
År 2016 skall de nya koderna begå sitt
eldprov. Då sänder kinesiska forskare upp
världens första kvantsatellit, som skall
skicka koderna runt världen.
I dag används en öppen brevlåda
De kvantkodade meddelandena kommer
först att användas för säker utväxling av
strategisk information mellan stater och
för militära syften. Civil användning är
dock också aktuell – till exempel vid
Denna PDF är endast för privat bruk och får inte kopieras till andra eller spridas via länkar på nätet (t.ex. via e-post eller på Facebook) © Copyright Illustrerad Vetenskap/Bonnier Publications. www.illvet.se
ESA

År 2016 skall en kinesisk satellit bana
väg för att oknäckbara, kvantkrypterade
meddelanden skall kunna sändas
jorden runt. Lyckas försöket, kommer
kryptologerna att vinna sin två tusen
år långa kamp mot fientliga spioner.
Fotoner bär meddelandet
En laserstråle skjuter kvantkodade fotoner mot mottagaren.
Fotoner är partiklar, som är grundbeståndsdelen i ljus
och annan strålning, och de kännetecknas av att de kan
befinna sig i flera olika ”tillstånd” på samma gång.
bank överföringar. I dag används så kalla de
publika nyckelsystem för känslig kommunikation.
Systemet bygger på att både
avsändare och mottagare har två koder.
Den ena är offentlig (publik), och den
and ra är hemlig (privat). När A sänder ett
meddelande till B, använder A B:s publika
kod för att koda sina data, innan de sänds
till B via Internet. B avko dar meddelandet
med sin privata kod – nyckeln – vilket gör
att meddelandet förblir hemligt.
Metoden kan jämföras med en brevlåda
som alla kan lägga brev i, men som bara
ägaren kan öppna. Nyckeln kodas med
hjälp av matematik, och en dator som är
tillräckligt smart kommer därför, om den
får tillräckligt med tid, att kunna räkna
sig fram till hur nyckeln ser ut.
Fotoner är obestämbara
Kvantkryptering är revolutionerande, då
den inte är bunden till avancerad matematik
utan till kärnfysikens lagar.
Kvantmekaniken, som styr subatomära
partiklar som elektroner och fotoner, har
en mängd avvikande egenskaper, var av
i synnerhet en är lämplig för kodning.
En foton, som är grundbeståndsdelen i
ljus och annan strålning, kan i motsats
till makroskopiska ting som datorchips
Kvantmekanik
gör hackarna
snurriga
Tillsynes ologiska fenomen, som
uppstår i partiklar mindre än atomer,
är kvantmekanikens domän. Denna
förunderliga gren av fysiken säger
bland annat att en partikels tillstånd är
obestämt, fram till det ögonblick då
man mäter på den. Faktiskt kan själva
mätningen ändra partikelns egenskaper.
Det motsvarar som jämförelse att man
felaktigt ser att en lodrät pelare ligger
vågrätt men att den sedan faktiskt gör
det, efter att man observerat den. Just
detta fenomen gör kvantkrypteringen
obrytbar, för i det ögonblick en hacker
försöker avläsa en kvantkodad partikel,
förändras partikelns egenskaper.
Hackerns ingripande stör därför själva
kodbudskapet, och mottagaren kommer
genast att veta att överföringen är
osäker och kassera meddelandet.
Tysken Werner Karl Heisenberg är
den moderna kvantmekanikens
fader. Han formulerade obestämbarhetsrelationen,
som är en
förutsättning för kvantkryptering.
10/2013 . Illustrerad Vetenskap
Denna PDF är endast för privat bruk och får inte kopieras till andra eller spridas via länkar på nätet (t.ex. via e-post eller på Facebook) © Copyright Illustrerad Vetenskap/Bonnier Publications. www.illvet.se
51
ARCHivE
Print: slu Status: 860 - Er PDFet Layout:NB Red.sek:CN

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
52
Kvantkoder är låsta av fysiken
Koderna, som forskarna vill skicka mellan Peking och Wien
via satellit, bygger på fotoners svängningsriktning.
Fotonerna Kodas
En laser sänder ut en foton
åt gången. Avsändaren, här
en satellit, noterar om fotonen
svänger vågrätt, lodrätt
eller diagonalt i vinklar på
45 grader eller 135 grader.
Illustrerad Vetenskap . 10/2013
1
0
0
4 riKtningar = 4 bit
Varje svängningsriktning
representerar en bit.
Lod rätt kan betyda 1 och
vågrätt 0. På samma sätt kan
45 grader betyda 1, medan
135 grader kan betyda 0.
befinna sig i flera olika tillstånd samtidigt.
Vilket tillstånd fotonen befinner sig
i kan man bara ta reda på genom att utföra
en mätning på den. Själva mätningen kan
dock ändra fotonens tillstånd. Just denna
egenskap utnyttjar kryptologerna. Försöker
en hacker avlyssna kvantkodade fotoner,
förändras många av fotonernas egenskaper
oundvikligen. Hackern kan inte använda
avläsningen till något, och han avslöjas
genom att budskapet blir till nonsens för
den rätta mottagaren.
Kryptologer har i över tio år med ljusledarkablar
kunnat sända data via kvantkrypterade
förbindelser, men kab larna
har en praktisk begränsning. Koderna
kan maximalt sändas cirka 100 kilometer,
då det sker förluster i fibrerna, och därför
är kvantkrypterade nätverk av ljusledare
bara lämpliga för lokal kommunikation.
Himlen är forskarnas nästa mål
I stället kommer forskarna att sända
fotonerna genom luften, vilket kommer
att göra det möjligt att skicka koder över
betydligt större avstånd. Det nuvarande
rekordet är 143 kilometer och sattes 2012,
i samband med att forskare vid Wiens
universitet transmitterade kvantkodade
fotoner mellan de båda Kanarieöarna La
Palma och Teneriffa.
Så sent som 2013 tog tyska fysiker
vid Ludwig-Maximilians-universitetet i
München och det tyska centret för luft-
och rymdfart i Wessling över stafettpinnen,
då de utväxlade kvantkoder mellan
jorden och ett flygplan, som flög med en
hastighet av 290 kilometer i timmen och
befann sig 20 kilometer bort.
Den stora finalen går dock 2016, när
en grupp kinesiska forskare vid University
of Science and Technology of China
Cromalin-godk. Red sek.: Layouter: HB.: Prod.:
1
’0’
HacKaren är cHanslös
Fotonerna avläses med hjälp av filter, som
mäter antingen rätvinkligt eller diagonalt.
Motsvarar filtret inte fotonen, ändrar filtret
fotonens svängningsriktning till en som
filtret kan mäta. Mäter en hacker fel,
kommer han alltså att ändra avsändarens
bit från till exempel 0 till 1. Satelliten och
mottagaren i Beijing upptäcker genast
angreppet när de jämför sina mätningar.
(USTC) i Hefei för första gången skall
sända upp en satellit, som skall distribuera
obrytbara kodnycklar från Kina
till Österrike. Planerna för den kinesiska
kvant satelliten tog form vid det kinesiska
universitetet redan runt millennieskiftet.
Enligt Yu-Ao Chen från forskargruppen är
konstruktionen nu färdig och byggandet
av satelliten i full gång.
Seger över fientliga spioner
När satelliten är klar, skall forskarna
genomföra en mängd tester i laboratoriet,
innan det 600 kilo tunga instrumentet
enligt planerna sänds upp med en kinesisk
raket. Projektet genomförs i samarbete
med den österrikiska forskargrupp som
stod bakom försöket på Teneriffa. Målet
är i första hand att utväxla krypterade
kodnycklar mellan Peking och Wien.
De kvantkodade fotonerna sänds iväg
en åt gången från en pulserande laser diod.
Av praktiska skäl fungerar satelliten som
avsändare och de båda stationerna på
jorden som mottagare. Här behövs det
nämligen stora och extremt känsliga
detektorer, som väger alldeles för mycket
för att skickas ut i rymden.
Att detektorerna överhuvudtaget kan
skilja individuella kvantkrypterade fotoner
från myriaderna av fotoner i solljuset
är faktiskt en prestation i sig. Forskarna
använder fotoner med en våglängd som
är sällsynt i solljuset, och detektorerna
filtrerar bort alla andra våglängder.
Blir försöken med att utväxla kvantkrypterade
kodnycklar mellan Asien och
Europa en framgång, är vägen banad
för en hundraprocentigt säker, global
kommunikation. Kryptologerna kommer
att kunna vinna den slutliga segern i sitt
långa krig mot brottslingar och spioner.
0
Filter tar emot Fotoner
Mottagaren i Peking sätter sina filter
slumpmässigt. När ett filter passar
med den avsända fotonen, mäter han
rätt, och när filtret inte passar, mäter
han fel. Beijing vet ännu inte vilka
mätningar som är rätt eller fel.
2. Hemliga
Koder sKapas
Båda städerna anropar kvantsatelliten.
De skickar först en
hemlig, kvantkrypterad kod till
Peking – i detta exempel (1 0 0 1)
– och därpå en annan hemlig
kod till Wien (0 0 1 1).
1. peKing sKriver
ett meddelande
Ett hemligt meddelande skall
skickas till Wien, och kineserna
skall se till att det inte kan
dekrypteras, om det snappas
upp på vägen. Därför måste
parterna först via satelliten bilda
en kvantkrypterad engångskodnyckel,
som bara de har.
peking
Denna PDF är endast för privat bruk och får inte kopieras till andra eller spridas via länkar på nätet (t.ex. via e-post eller på Facebook) © Copyright Illustrerad Vetenskap/Bonnier Publications. www.illvet.se

(zoom, der viser, hvordan en foton puffes ud af position)
resultat stäms av
Peking anropar satelliten och får
veta vilka filter som stod rätt. De
fotoner som Peking mätte fel
kasseras. Ettorna och nollorna från
de rätta mätningarna är den hemliga
nyckeln. Hackern får inget ut av att
avlyssna samtalet om filtren, då det
inte talas om huruvida de uppmätta
bitarna var ettor eller nollor.
KvantKoder sKicKas
Från asien till europa
I försöket sänder Peking kvantkoder till Wien via en satellit. Båda
städerna har en mottagare, medan satelliten fungerar som avsändare.
iLLuStRAtioNER: CLAuS LuNAu
6. peKing sänder sitt brev
Nu, då kodnyckeln är klar, kodar Peking sitt
meddelande och skickar det till Wien, till
exempel som ett e­mail, som kan jämföras
med ett vykort. Endast Wien kan avkoda
meddelandet. Parterna behöver inte oroa
sig för att brevet kan snappas upp på vägen,
då det är oläsligt för alla som inte har den
k vantkrypterade engångskodnyckeln.
Satellit
4. Koden sänds
Satelliten sänder den gemensamma koden
okrypterad till båda städerna. Peking jämför
enligt samma princip den gemensamma koden
med den hemliga kod som Peking tidigare fick
från satelliten. Resultatet motsvarar Wiens kod:
Satellit gemenSam nyckel
peking kod
1 0 0
0 1 0
0 0 1
1 1 1
5. engångsnycKeln är Klar
Peking har nu Wiens hemliga kod. Städerna har alltså en
gemensam nyckel, som kan koda och avkoda inbördes
meddelanden. Endast den i sig själv värdelösa, gemensamma
koden har skickats över det öppna nätverket.
3. satelliten
sKapar gemensam Kod
Satelliten jämför de båda koderna,
(1 0 0 1) och (0 0 1 1) och bildar en ny
gemensam kod enligt följande princip:
När två bitar är lika, det vill säga två
ettor eller två nollor,
väljs biten 1, och när
de är olika blir
biten 0.
gemenSam
kod
Denna PDF är endast för privat bruk och får inte kopieras till andra eller spridas via länkar på nätet (t.ex. via e-post eller på Facebook) © Copyright Illustrerad Vetenskap/Bonnier Publications. www.illvet.se
0
1
0
1
Wien
Print: slu Status: 860 - Er PDFet Layout:NB Red.sek:CN