Gilles Brassard (balra) és Charles Bennett (jobbra) voltak az elsők között, akik összekapcsolták a kvantumfizikát az információelmélettel.
1979 októberének egy délutánján Gilles Brassard éppen a tengerben úszott San Juanban, Puerto Ricóban, amikor egy idegen odaúszott hozzá, és megváltoztatta a karrierjét. A férfi minden bemutatkozás nélkül elkezdte elmesélni, hogyan lehet olyan pénzt létrehozni, amelyet nem lehet hamisítani. A terv a kvantumfizika törvényein alapult – egy olyan területen, amelyről Brassard, aki informatikus, semmit sem tudott.
„Csapdába estem, ezért udvariasan hallgattam” – mondta Brassard. A kétség hamarosan lenyűgözésbe csapott át, amikor rájött, hogy ez az egzotikus „kvantumpénz” valójában komoly tudomány. Ez a valószínűtlen találkozó egy hosszú és gyümölcsöző együttműködés kezdetét jelentette Brassard és új ismerőse, egy Charles Bennett nevű fizikus között. Munkájuk segített beindítani a fellendülőben lévő kvantuminformatika területét, ösztönözve az új technológiák fejlődését és a fizika és az információ közötti alapvető kapcsolatok felfedezését.
Bennett és Brassard lettek az AM Turing-díj nyertesei, a számítástechnika egyik legmagasabb kitüntetése, „a kvantuminformatika alapjainak lerakásában, valamint a biztonságos kommunikáció és számítástechnika átalakításában játszott alapvető szerepükért”. A díjjal 1 millió dolláros pénzdíj jár.
A kvantuminformatika ma már több ezer aktív kutatónak ad otthont, de az 1990-es évek közepéig egy kis közösség volt, amelynek meglátásait a kívülállók gyakran elutasították. Bennett és Brassard a leghangosabb korai szószólói közé tartoztak.
„Segítettek megalapozni a csoport kultúráját, amely akkoriban a fizika és a számítástechnika peremén mozgott” – mondta John Preskill, kvantumfizikus a Kaliforniai Műszaki Intézetben.
„Hatalmas” volt a befolyásuk a kvantuminformatikára – mondta Scott Aaronson, a Texasi Egyetem (Austin) informatikusa. „Már jóval azelőtt ott voltak, hogy a kvantum-számítástechnika egyáltalán létezett volna.”
Egy újfajta pénz
Nem véletlen, hogy Bennett és Brassard ugyanazon a Puerto Ricó-i tengerparton találták magukat azon a napon közel 50 évvel ezelőtt. Mindketten egy elméleti számítástechnikai konferencián vettek részt, de az odavezető tanulmányi pályák feltűnően eltérőek voltak. Brassard 1955-ben született Montrealban. Még általános iskolás korában tanult haladó matematikát idősebb bátyjától, és 13 évesen kezdte meg az egyetemet. 1979-ben, mindössze 24 évesen doktorált, és csatlakozott a Montreali Egyetem karához. Elment a Puerto Ricó-i konferenciára, hogy bemutassa a kriptográfia matematikai alapjaival kapcsolatos posztgraduális kutatásának eredményeit.
Bennett útja kanyargósabb volt. 1943-ban született New Yorkban, biokémiát akart tanulni, majd a Harvard Egyetemen végzett posztgraduális kutatásokat a kémia és a fizika metszéspontjában. Mindeközben egyre jobban érdekelte a fizika és a számítástechnika közötti kapcsolatok keresése, egy olyan időszakban, amikor a két tudományágat nagyrészt függetlennek tekintették egymástól.
Miközben Bennett az 1960-as évek végén a doktori címén dolgozott, barátja, Stephen Wiesner gyakran látogatta meg azt a helyet Bostonban, amit Bennett a „közösségi hippi házának” nevezett. Az egyik ilyen látogatás során Wiesner magával hozta egy tanulmányának vázlatát, amelyet a kvantumfizika egy radikálisan új alkalmazásáról írt: a kvantumpénz-rendszerről, amellyel Bennett egy évtizeddel később Brassardra támadt.
Wiesner ötletét az egyik legfontosabb követelmény motiválta, amely bármilyen pénznemre vonatkozik: nagyon nehéznek kell lennie meggyőző hamis bankjegyet készíteni. Nem elég minden bankjegynek egyedi sorszámot adni, ha elvileg bárki el tudja olvasni és le tudja másolni ezt a számot, ezért a kormányok kifinomult technológiához folyamodnak a hamisítás megakadályozására.
Wiesner rájött, hogy a kvantumfizika törvényei új megoldást kínálhatnak a hamisítások problémájára. Tervében a kvantummérés egy furcsa tulajdonságát használta ki: egy részecske mérésére tett kísérlet eredendően kiszámíthatatlan módon zavarhatja azt, törölve az összes információt a mérés előtti állapotáról. Ezt a zavart el lehet kerülni a mérés körültekintő megválasztásával, de csak akkor, ha már rendelkezünk részleges információkkal a részecske kezdeti állapotáról. Wiesner hipotetikus kvantumbankjegyeinek mindegyike különböző kvantumállapotú részecskecsoportokat tartalmazna. Ezek a részecskék egy egyedi sorozatszám bitjeit kódolnák. Egy leendő hamisítónak a csoport minden részecskéjét meg kellene mérnie anélkül, hogy megzavarná azt, hogy megtudja ezt a sorozatszámot, és másolatot készítsen. Már néhány tucat részecskével is szinte garantált lenne a kudarc. A kvantummérési zavar, amely általában kellemetlenség, pajzsként szolgálna a kíváncsi szemek ellen.
Az 1970-es évek elején Wiesner hirtelen felhagyott a fizikai kutatásokkal, és csatlakozott a kaliforniai ellenkultúrához, forradalmi újságja közel 15 évig kiadatlan maradt. (Wiesner később vallásos lett, Izraelbe költözött, és építőipari munkásként dolgozott. 2021-ben halt meg.) Bennett eközben végül állást kapott az IBM-nél, ahol kidolgozott egy új, megfordítható számításelméletet . Wiesner ötletét azonban nem tudta kiverni a fejéből. Egy évtizeden át próbált felkelteni más kutatók érdeklődését, sikertelenül, mígnem Puerto Ricóban találkozott Brassarddal.
Kvantum titkok
Miközben azon a végzetes napon a hullámokon ringatóztak, Brassard rámutatott a kvantumpénz-rendszer egy szembetűnő problémájára. Bankjegyeket lehetetlen hamisítani, de a használatuk is nehézkes lenne, mivel csak az a személy tudná ellenőrizni, hogy érvényes-e, aki kiállította őket. Brassard azt javasolta, hogy ezt a problémát esetleg Wiesner rendszerének és a kriptográfiai technikáknak a kombinálásával lehetne orvosolni. Mire a duó 10 perccel később visszatért a partra, már megegyeztek a későbbi első közös tanulmányuk kulcsgondolataiban.
Az első találkozás után Bennett és Brassard időnként meglátogatták egymást, hogy eszmét cseréljenek. Csak korlátozott időt tudtak szentelni közös érdeklődésüknek a kvantuminformáció homályos témája iránt.
„Akkoriban ez senkinek sem volt hétköznapi feladata” – mondta Bennett.
A duó azon kezdett tűnődni, hogy vajon ki tudnák-e használni a kvantummérési zavart, hogy megvédjék a titkos üzeneteket a lehallgatóktól. A kriptográfusok már ismertek egy titkosítási sémát, amely elvileg tökéletesen biztonságos volt. De ehhez az kellett, hogy a küldő és a címzett, akiket jellemzően Alice-nek és Bobnak hívtak, személyesen találkozzanak, és válasszanak egy hosszú, véletlenszerű bitekből álló sorozatot, amelyet titkos titkosítási kulcsként használnak. Ráadásul minden új üzenethez külön kulcsot kellett volna használniuk. Ezek a korlátozások a legtöbb alkalmazás számára túl nehézkesek voltak. A praktikusabb titkosítási sémák elkerülték a személyes találkozók szükségességét, de bizonyos matematikai feladatok nehézségével kapcsolatos, nem bizonyított feltételezésekre támaszkodtak.
1983-ban Bennett és Brassard egy új kvantummechanikai megközelítést dolgoztak ki a privát kommunikációhoz. A ma BB84 néven ismert rendszerükben Alice és Bob egy közös titkos kulcsot hoztak létre fotonok, a fényt alkotó kvantumrészecskék küldésével és mérésével anélkül, hogy személyesen találkozniuk kellett volna. Ezt a kulcsot aztán felhasználhatták egy üzenet titkosítására. A módszer ismét a kvantummérési zavar elvén működött: bármely lehallgató, aki megpróbálta lehallgatni a kvantumátvitelt, megzavarta azt, semmit sem tudott meg, és figyelmeztette Alice-t és Bobot a jelenlétükre. A módszer nem támaszkodott semmilyen matematikai feltételezésre. Még egy lehallgató sem tudta volna megtudni a titkos kulcsot, aki varázslatosan megoldaná a világ legnehezebb matematikai problémáit.
Teleportálás előre
Bennett és Brassard kvantumkulcs-eloszlásról szóló tanulmánya a kvantuminformatika egyik leghíresebb művévé vált. De akkoriban kevesen figyeltek fel rá. Így a duó végül úgy döntött, hogy kísérleti bemutatót készít. „Meg akartam mutatni, hogy ez lehetséges, hogy ez nem csak egy teoretikus ostobasága” – mondta Brassard.
Költségvetés és kísérleti fizika terén szerzett csekély tapasztalat miatt Bennett és Brassard csapatának improvizálnia kellett. Bennett és kollégája, John Smolin egyszer vettek egy fekete bársonylapot egy szövetboltban, hogy kizárják a kóválygó fényt, és azt mondták a zavarodott eladónak, hogy kvantumkriptográfiához van rá szükségük. (Bennett később kalapnak használta fel a bársonyt.) Végül 1989 októberében sikerült működésbe hozniuk a kísérletet – napra pontosan 10 évvel Bennett és Brassard első Puerto Ricó-i találkozója után. Készülékük kvantumkulcs-eloszlást demonstrált 30 centiméter távolságon keresztül. A műholdas kapcsolatokat használó újabb bemutatók több mint 1000 kilométeren keresztül valósították meg módszerüket.
1993-ban Bennett, Brassard és négy másik kutató egy újabb ikonikus cikket publikált, amely bemutatta, hogyan lehet egy bizarr kvantumjelenséget, az összefonódást arra használni, hogy egy kvantumrészecske állapotát egy másikra „teleportáljuk”. (Bár a név Kirk kapitányra emlékeztet, akit az Enterprise-ra sugároztak fel, a kvantumteleportáció csak információt továbbít, anyagot nem.) Ez volt az egyik első példa arra, hogy az összefonódás hogyan szolgálhat erőforrásként az információfeldolgozáshoz.
Addigra a kvantuminformatika már némi felhajtást keltett. Igazi lendületet egy évvel később kapott. A digitális titkosítás gyakran azon a feltételezésen alapul, hogy egy számítógép számára nehéz egy nagy számot prímtényezőkre bontani. De 1994-ben Peter Shor alkalmazott matematikus kidolgozott egy kvantumalgoritmust, amely gyorsan meg tudta tenni ezt. Shor mérföldkőnek számító eredménye aláhúzta a kvantumtitkosítási módszerek fontosságát, amelyek nem igényeltek matematikai nehézségekre vonatkozó feltételezéseket.
„Shor algoritmusa elkerülhetetlenné tette az ötletünket” – mondta Brassard.
Shor felfedezése óta eltelt 30 évben az érdeklődés és a befektetés az információs tudomány iránt az egekbe szökött. A kutatók versenyt futottak, hogy nagy teljesítményű kvantumszámítógépeket építsenek , és kapcsolatokat azonosítottak az alapvető fizika látszólag egymással nem összefüggő témáival. A kvantumkriptográfia iránt is új érdeklődés mutatkozott. Néhány évvel ezelőttig a kutatók úgy vélték, hogy a kvantumtrükkök csak néhány speciális kriptográfiai feladathoz, például a kulcselosztáshoz hasznosak. Egy újabb kutatás azonban csábító utalásokat kínált arra, hogy a kvantumkriptográfia hatóköre sokkal szélesebb lehet. Bennett és Brassard érdeklődéssel követték ezeket az új fejleményeket.
„Ez egy nagyon lenyűgöző ötlet” – mondta Bennett. „Ez lehet egy módja annak, hogy kvantummechanikailag megmentsük Shor algoritmusának kvantumkatasztrófáját.”
Tovább a cikkre: quantamagazine.org (Ben Brubaker)
