Jak siê maj± Alicja i Bob po dziesiêciu latach? Wci±¿ siê komunikuj± pozostaj±c daleko od siebie?
– Pytanie to wi±¿e siê z tzw. paradygmatem odleg³ych laboratoriów, który gra wa¿n± rolê w kwantowej teorii informacji. Alicja pozostaje w jednym laboratorium, a Bob w drugim. Maj± do dyspozycji dwa kana³y komunikacyjne: kwantowy i klasyczny, np. telefoniczny. Wymieniaj± informacje w ten sposób, ¿eby nikt nie móg³ ich pods³uchaæ. Jak to jest mo¿liwe? Studiuj±c najlepszy (i niezawodny) kwantowy opis natury Alicja i Bob odkryli „prawo tajno¶ci”. Mianowicie informacjê nale¿y kodowaæ w taki sposób, aby jej odczytanie by³o tak trudne, jak z³amanie odkrytych kwantowych praw Natury. W rezultacie podstaw± ich komunikacji jest bezpieczny klucz kwantowy, który wytworzyli na swój u¿ytek.
Co to takiego?
– Losowy ci±g znaków, zer i jedynek, który Alicja dodaje do wiadomo¶ci (w zapisie zero−jedynkowym), któr± chce przes³aæ do Boba. W rezultacie otrzymuje inny losowy ci±g znaków (szyfrogram), który ¶le do Boba. Bob robi odwrotn± operacjê. Odejmuje od szyfrogramu klucz, który jest w jego posiadaniu i w ten sposób odczytuje oryginaln± wiadomo¶æ.
Mówimy o bezpiecznym przesy³aniu danych, zatem klucz musi byæ niedostêpny dla osób niepowo³anych.
– Oczywi¶cie. Sposób kodowania informacji oparty na kwantowych prawach zapewnia, ¿e wygenerowany klucz jest nikomu nieznany.
A gdy kto¶ odbierze ten klucz i odtworzy go?
– Odró¿nijmy dwie rzeczy. Pierwsza to próba zdobycia klucza na gor±co, w trakcie jego generacji. Jest to w zasadzie niemo¿liwe. Ka¿da taka próba zostanie natychmiast wykryta przez partnerów dziêki tzw. zasadzie no−cloning, o której jeszcze wspomnimy. Inna sprawa to w³amanie do laboratorium. Tutaj te¿ jest przewaga nad klasyczn± kryptografi±. Mianowicie, rozdanych kwantowych kluczy nie trzeba przechowywaæ. Mo¿na je generowaæ „na bie¿±co”.
Sposób generacji kwantowego klucza (protokó³) odkryli w 1984 roku Bennett i Brassard. Z grubsza bior±c polega on na tym, ¿e jedna osoba, np. Alicja, wysy³a kwantowym kana³em do Boba n fotonów spolaryzowanych przypadkowo w dwóch komplementarnych bazach, to znaczy standardowej (zero oznacza foton spolaryzowany pionowo, jedynka za¶ – poziomo) i uko¶nej, gdzie zero to polaryzacja 450, a jedynka – 1350. Bob mierzy polaryzacjê otrzymanych fotonów, musi jednak zadecydowaæ, w której bazie. Z mechaniki kwantowej wynika bowiem, ¿e pomiarów tych nie mo¿na wykonywaæ naraz. Je¿eli wybra³ inn± bazê ni¿ Alicja, otrzymuje wynik zupe³nie losowy, je¿eli tê sam±, wynik jest taki, jak u Alicji. Aby te sygna³y by³y czytelne, nadawca i odbiorca przez kana³ klasyczny ustalaj±, jakiej bazy u¿ywaj±.
Wyniki te to w³a¶nie klucz. Ale w³amywacz – informatycy kwantowi nazywaj± go Ew± – pods³uchuje. Jednak znajomo¶æ tych baz nic mu nie daje, bo istnieje zasada nieklonowania – jak pokazali Wootters i ¯urek (znakomity polski fizyk pracuj±cy w Los Alamos), nie mo¿na sklonowaæ dowolnego stanu kwantowego. Gdy Ewa próbuje siê dobraæ do informacji, które przesy³aj± miêdzy sob± Alicja i Bob, zaburza je i nic z tego nie ma, a na dodatek oni od razu wiedz±, ¿e kto¶ ich pods³uchuje.
Czy to wyja¶nia, dlaczego kryptografia kwantowa jest najbezpieczniejszym systemem?
– Tak, bo bezpieczeñstwa przesy³anych informacji broni sama przyroda. Zasada nieklonowania jest ¶ci¶le zwi±zana z zasad± nieoznaczono¶ci Heisenberga. To zasada fundamentalna, le¿±ca u podstaw przyrody, a nie twierdzenie, które trzeba udowadniaæ.
A gdzie tu Pana wk³ad?
– Zaraz do tego dojdziemy. W 1991 r. Artur Ekert odkry³ inny rodzaj kryptografii, polegaj±cy na tym, ¿e wykorzystujemy zjawisko korelacji miêdzy dwoma odleg³ymi cz±stkami. Mo¿emy generowaæ nowy zasób, który nazywamy spl±taniem. Tamta kryptografia polega³a na tym, ¿e sygna³y kodowano na kubitach, teraz wykorzystujemy spl±tanie kwantowe. Alicja i Bob w dwóch odleg³ych laboratoriach wysy³aj± pary cz±stek spl±tanych. Bob dokonuje pomiarów i zapisuje te przypadkowe bity. Alicja w swoim laboratorium robi to samo, zapisuje kompletnie chaotyczne bity. Gdyby nie wiedzieli, kto im to podsy³a, to nic nie mogliby zrobiæ. Ale wci±¿ maj± do dyspozycji drugi kana³ komunikacji i wiedz±, jakich baz u¿ywaj±. Spl±tanie powoduje, ¿e otrzymuj± ten sam ci±g bitów, czyli klucz.
Dlaczego bezpieczny?
– Przyroda pomaga. W przypadku procedury BB 84 pomaga³a zasada nieklonowania, tutaj czynnikiem zabezpieczaj±cym jest zasada monogamii. Je¿eli w³amywacz tak± cz±stkê z³apie i bêdzie chcia³ okre¶liæ jej stan, zniszczy spl±tanie. Zatem sama próba odczytania przez niepowo³an± osobê niszczy zasób. Dlaczego tak jest? Dochodzimy do pewnej g³êbszej w³asno¶ci spl±tania – jest ono monogamiczne. U¿ywamy tylko stanów spl±tanych singletowych. Zasada monogamii jest równie¿ zasad± fundamentaln±. Je¶li Alicja i Bob s± maksymalnie spl±tani, to ¿adna inna osoba siê do ich zwi±zku nie dopl±cze. Ka¿da taka próba zmienia ich statystykê i wiedz±, ¿e kto¶ próbuje czytaæ ich informacje. W³asno¶ci spl±tanych cz±stek nie s± znane. Ujawniaj± siê dopiero przy pomiarze. Ten, kto próbuje je pomierzyæ, ujawnia ich w³asno¶ci, a tym samym niszczy spl±tanie. Mówimy, ¿e takie „wmalowanie” w³asno¶ci jest wprowadzeniem elementu realno¶ci do procesu tworzenia klucza kwantowego. Ta metoda ma jednak powa¿ne ograniczenie. Wymaga mianowicie kreowania stanów spl±tanych niezwykle czystych. Tymczasem w naturze one takie czyste nie s±. Ekert wprowadzi³ sposób oczyszczania stanów spl±tanych z szumów – destylowanie stanów spl±tanych. Oba schematy, o których mówili¶my: BB 84 oraz E 91, s± ju¿ skomercjalizowane.
Po co zatem jakie¶ inne metody?
– Jest problem. W obu wypadkach potrzebujemy czystych korelacji fotonów, czystego spl±tania. Potrafimy je co prawda „odszumiaæ”, ale nie zawsze i nie ka¿de. A to s± powa¿ne ograniczenia, bo w naturze spl±tania s± zaszumione. Doczepiaj± siê po drodze inne cz±stki, korelacje staj± siê s³abe, podobieñstwo uzyskania skutecznego porozumienia miêdzy Alicj± i Bobem maleje. Odkryli¶my rzecz zdumiewaj±c±: s± spl±tania zaszumione w taki sposób, ¿e nie mo¿emy ich odczy¶ciæ za pomoc± ju¿ znanych metod, np. destylowania kwantowego. Spl±tanie zapada siê, jak w czarn± dziurê i koniec. Rozumowano tak: skoro nie da siê go oczy¶ciæ, to nie nadaje siê do kwantowej kryptografii. A tu Jonathanowi Oppenheimowi, Karolowi, Micha³owi i Paw³owi [synowie Ryszarda Horodeckiego – przyp. PK] uda³o siê wyci±gn±æ z niego klucz kryptograficzny, mimo ¿e jest takie s³abe i tak zaszumione. Mamy zatem trzeci typ kryptografii kwantowej, nazwijmy go H3O. Na razie mamy go tylko na papierze, jeszcze nie w implementacji.
Zatem nie wiadomo, czy bêdzie siê nadawa³ do implementacji?
– Czy protokó³ H3O znajdzie bezpo¶rednie zastosowanie, tego nie wiemy, gdy¿ nie wiadomo, czy tego rodzaju szum mo¿e wyst±piæ na typowych liniach przesy³owych. Dla mnie daleko wa¿niejsz± cech± tego rezultatu jest jego znaczenie poznawcze dla dziedziny, jak± jest kryptografia kwantowa. Nasza „czarna dziura” spl±tania wprowadzi³a du¿± niewiadom± w rozumieniu zjawiska kryptografii kwantowej. Powsta³ problem, jak ¶cis³y jest zwi±zek kryptografii ze spl±taniem. Protokó³ H3O w jakiej¶ mierze porz±dkuje ten stan rzeczy, wprowadzaj±c m.in. warunki konieczne i dostateczne do istnienia bezpiecznego klucza w ogóle. Otworzy³ drogê do przypuszczenia, ¿e bezpieczeñstwo mo¿na wrêcz uto¿samiæ ze spl±taniem!
Pad³o okre¶lenie czarna dziura kwantowej informacji. Co ono oznacza?
– Skoro spl±tanie jest tak zaszumione, ¿e za pomoc± lokalnych operacji i tradycyjnej komunikacji nie mo¿emy wydestylowaæ spl±tania czystego, mocnego, to znika nam ono, jak materia w czarnej dziurze. Spl±tanie zwi±zane by³o badane do niedawna jako kuriozum. W tej chwili przynajmniej dwa o¶rodki przymierzaj± siê do wygenerowania takich stanów spl±tanych, ¿eby je badaæ w laboratorium. To tylko kwestia czasu.
Jeszcze raz: czym siê ró¿ni protokó³ Ekerta od H3O?
– W naszym rozwi±zaniu, w ekstremalnych warunkach, mimo ¿e spl±tanie jest tak zaszumione, mo¿na wyci±gn±æ z niego klucz kryptograficzny. Nie potrzebujemy destylacji. Spl±tanie jest, jakie jest i potrafimy wyci±gn±æ z niego klucz.
Sprawa za³atwiona, czekamy tylko na laboratorium, które powa¿y siê podj±æ wyzwanie?
– Jest wiele otwartych pytañ. Gdy pada deszcz, to mokn± wszyscy, którzy nie maj± parasoli. Szum utrudnia pracê nie tylko Alicji i Bobowi, ale tak¿e w³amywaczowi. Jest nadzieja, ¿e protokó³ wykorzystuj±cy spl±tanie zwi±zane mo¿e byæ dobr± metod± kryptograficzn± w ekstremalnie trudnych warunkach.
Jedno z odkryæ Pana zespo³u dotyczy praktycznej detekcji spl±tania.
– Rzeczywi¶cie, znale¼li¶my praktyczn± metodê testowania w laboratorium, czy stan jest spl±tany, czy nie. Alicja i Bob, rozpoczynaj±c protokó³ Ekerta, musz± wiedzieæ, czy spl±tanie, które chc± wykorzystaæ, nie jest zwi±zane, i czy w ogóle jest. Przyroda mog³a je po drodze zniszczyæ i ich praca posz³aby na marne. Dotychczasowe metody by³y skomplikowane i czasoch³onne, a zatem tak¿e kosztowne. Wprowadzili¶my tzw. ¶wiadków spl±tania. Wystarczy zrobiæ w laboratorium jeden−dwa pomiary ¶wiadka w okre¶lonych sytuacjach. Je¿eli warto¶æ ¶rednia koñcowa jest dodatnia, to nie mamy spl±tania, jak ujemna – to mamy. Metoda ¶wiadków spl±tania jest szybka i tania, a to siê liczy, szczególnie w dobie kryzysu. Okaza³o siê, ¿e ma zastosowanie w wielu dziedzinach, np. przydaje siê do kryptografii Ekerta.
Wydaje siê, ¿e jêzyk, którym siê pos³ugujecie, to nie tylko jêzyk formalny, ale jêzyk metafory, poezji niemal¿e.
– Wkraczamy w obszar pó³cienia, w sytuacjê, kiedy umys³ doznaje pewnego dyskomfortu, bo widzi, ¿e nie jest w stanie zrozumieæ formalizmu. No, bo jak sobie wyobraziæ spl±tanie w ¶wiecie klasycznym? Natychmiastowe korelacje spl±tanych cz±stek zdaj± siê przeczyæ temu, co postulowa³ Einstein, ¿e wszystkie sygna³y rozchodz± siê z prêdko¶ci± nie wiêksz± ni¿ prêdko¶æ ¶wiat³a. Zatem wygl±da to na herezjê…
Te pojêcia maj± te¿ silne konotacje filozoficzne.
– Po pierwsze natura broni siê przed sprzeczno¶ci± poprzez fakt, ¿e koincydencji tych nie mo¿na kontrolowaæ, a zatem nie da siê zbudowaæ tzw. telefonu Bella, który by przesy³a³ sygna³y natychmiastowo. Jednak to nie koniec problemów. Kiedy¶ zaproponowano mi referat na temat Co ja o tym wszystkim my¶lê? Musia³em sobie wyrobiæ pogl±d, ¿eby utrzymaæ wewnêtrzn± spójno¶æ, to integrum humanum, ¿eby nie pêkn±æ. Z jednej strony w jednej pó³kuli mózgu mam taki magiczny formalizm, który przewiduje, co siê zdarzy w laboratoriach w dobrze okre¶lonych warunkach – taka kwantowa Pytia. Ale jaka jest ró¿nica miêdzy t± Pyti± a tamt± z Delf? Kwantowa Pytia czerpie z g³êbokiego i nowego porz±dku natury, który objawia siê nam na podstawowym poziomie. Wróæmy do stanu spl±tanego: Alicja i Bob mieli kompletny chaos. A jak ustalili bazy, okaza³o siê, ¿e maj± zupe³ny porz±dek. Lokalny chaos, a uniwersalny porz±dek. Co za paradoks! O ca³o¶ci wiemy wszystko, o poduk³adach nic. Je¶li ma pan ba³agan na biurku i w szafie, to ma pan ba³agan w domu i ten nie³ad jest, co najwy¿ej, wiêkszy lub równy temu, co na biurku. Ale ¿eby mieæ idealny porz±dek w domu, a ba³agan na biurku – to jest z³amanie naszej potocznej my¶li. Kwantowa Pytia mówi co innego: istnieje ¶wiat, w którym ten porz±dek, który widzisz, nie obowi±zuje. Jest inny porz±dek, który wi±¿e bardzo subtelne zdarzenia, odleg³e, ale skorelowane. Nam siê to uda³o sformalizowaæ – jest to tzw. ³amanie nierówno¶ci entropowych – i to doprowadzi³o do odkrycia ujemnej informacji. Daje ona profit – ekstrakomunikacjê, darmowe impulsy w ¶wiecie kwantowym. Klasyczna Pytia z Delf na pewno by takiej sytuacji nie przewidzia³a. Jej w±¿, ¼ród³o mocy, milcza³by.
Czy przypadkiem ta monogamia, zakaz klonowania, to nie s± przyjête a priori za³o¿enia filozoficzne, do których Pan siê nie chce przyznaæ?
– Wszystkie nasze za³o¿enia trafiaj± do laboratorium. Mam szczê¶cie, ¿e pracujê w dziedzinie, która mo¿e byæ intersubiektywnie weryfikowana. Monogamia jest w³asno¶ci± uk³adów spl±tanych, podobnie niemo¿no¶æ klonowania. Gdyby to by³y tylko za³o¿enia, nie zbudowano by generatora klucza kwantowego, z którego mo¿na korzystaæ. To s± w³asno¶ci przyrody, a nie nasze projekcje. Umiemy wytwarzaæ spl±tanie. Wi±zka laserowa uderza w nieliniowy kryszta³ i wylatuj± dwa fotony spl±tane. Jeden leci do jednego, drugi do drugiego laboratorium. Oczywi¶cie, dotykamy filozofii. Jak to siê dzieje, ¿e potrafimy opisywaæ przyrodê, najg³êbsze jej prawa, ¿e ona pozwala siê opisywaæ? Musi istnieæ wewnêtrzny porz±dek, mimo tej przypadkowo¶ci. Dlaczego przyroda wymaga takiego, a nie innego opisu? Wkraczamy w teren filozofii naturalnej. Na swój u¿ytek dzielê filozofiê na spekulatywn± i naturaln±. Bardziej ceniê tê drug±. Opis kwantowy odbija g³êbszy porz±dek w przyrodzie. Informacja jest bardziej podstawowa ni¿ prawdopodobieñstwo.
No, to ju¿ jest filozofia w ca³ym tego s³owa znaczeniu.
– Wydaje siê, ¿e informacja jest czym¶ wy¿szym od energii. To ona rz±dzi energi± i procesami. ¦wiat to obserwator, który dzia³a na zasadzie przetwarzania informacji.
Z naszej rozmowy sprzed lat pamiêtam pojêcie „unitarne pole informacji”. Czy tamten pomys³ jest aktualny?
– Ta idea ma sens, poniewa¿ informacja jest zasobem powszechnie dostêpnym. Tylko czasami z ró¿nych powodów nie potrafimy do niej dotrzeæ. S± ró¿ne rodzaje informacji, o ró¿nych w³asno¶ciach. Nie mamy do czynienia z chaosem, ale z zasobem, trudnym lub nie. Okazuje siê, ¿e mechanika kwantowa przewiduje zachowanie informacji kwantowej, która mo¿e byæ, co najwy¿ej, schowana w ¶rodowisko i trudno j± wydobyæ. Zachowanie informacji jest jednak faktem. Opublikowali¶my pracê na ten temat i na razie nikt nam jej nie zakwestionowa³. Z tej zasady wynika nieklonowanie i niezmazywalno¶æ informacji. To znaczy, ¿e informacja jest tak samo podstawow± wielko¶ci± jak energia.
Czy czasem ta Pañska filozofia nie przechodzi w ¶wiatopogl±d?
– Nie lubiê wyra¿enia „¶wiatopogl±d” – budzi we mnie negatywne emocje. Zamiast niego wolê okre¶lenie „opis ¶wiata”. My opisujemy ¶wiat. Jestem w stanie opisywaæ ¶wiat, mam do tego narzêdzia. Dysponujê bibliotek± pojêæ. W ¶wiatopogl±dzie jest sporo subiektywnych elementów, emocji. Tymczasem opis to co¶ zobiektywizowanego, odnosi siê do czego¶, co jest. W ¶wiatopogl±dzie mogê siê odwróciæ ty³em do przyrody i zaprzeczaæ jej prawom i prawdom. Kroczymy krokiem marszowym po kruchym lodzie. Natomiast tutaj jestem w stanie dyskutowaæ z ka¿dym. Religia i wiara s± w jaki¶ sposób komplementarne do nauki, do filozofii naturalnej. ¦wiatopogl±d to jest co¶ kulturowego. Istnieje izomorfizm miêdzy przyrod± a jej matematycznym opisem. A to, ¿e teraz monogamia nie jest popularna w kulturze, a na poziomie kwantowym jest konieczna, w³a¶ciwie potwierdza moje obawy co do s³owa ¶wiatopogl±d.
Dziesiêæ lat temu mówi³ Pan, ¿e jest zniechêcony, pesymistyczny. Teraz zupe³nie inaczej, od¿y³ Pan, odzyska³ nadziejê.
– Ba³em siê, ¿e nauka jest niedoceniana. Mój pesymizm pozostaje aktualny – ona nigdy nie jest doceniana. Jestem pragmatykiem. Kondycja spo³eczeñstwa jest wszêdzie taka sama – nie jest dobra. Jest panteon, nie ma kap³anów. Wspó³czesny Herhor nie bêdzie nigdy istnia³, bo zabroni mu tego kwantowa Pytia. W staro¿ytnym Egipcie ludzie wyra¼nie widzieli zaæmienie s³oñca. Naukowiec, który przewiduje ruchy fotonów, nie jest gro¼ny, bo spo³eczeñstwo nie wie, co to s± fotony, mimo i¿ chêtnie kupi urz±dzenie do kryptografii. Jednak chcia³bym przywróciæ tej czê¶ci kultury, jak± jest ludzkie poznanie, w³a¶ciwe miejsce w panteonie historycznym, ¿eby¶my, tak jak za czasów Kopernika wiedzieli, ¿e przyrodê trzeba szanowaæ. Ona mo¿e nam sprawiæ fantastyczne niespodzianki. Jestem zwolennikiem zanurzenia nauk ¶cis³ych w humanistyce.
A odwrotnie?
– Humanista, który nie spierwiastkuje i fizyk, który nie zna Szekspira i naszych wielkich poetów, powinni siê wstydziæ. Czasy renesansu powinny wróciæ, bo inaczej pozostaniemy w tej sfragmentaryzowanej nauce. Bêdzie dochodzi³o do pewnych syntez kulturowych i bêdziemy szukali wspólnego mianownika. Mo¿e nim byæ przyroda. Do niej mo¿emy siê odwo³aæ w ka¿dej chwili – i katolik, i muzu³manin.
Wróæmy na chwilê do Pana kariery...
– S³owo kariera brzmi tu bardzo dwuznacznie. Moja kariera by³a do¶æ nietypowa. Nawet nie by³a karier±. By³a czym¶ niepoczytalnym. In¿ynier, który skoñczy³ politechnikê, potem wyg³upia siê i zaczyna doktorat i studia na fizyce równocze¶nie! Wchodzi w teoriê jak ¶lepy, wpada w studniê, z której nikt go nie chce wyci±gn±æ. To nie by³a kariera, ale nieporozumienie. Uratowa³o mnie to, ¿e pasjonowa³a mnie prawda o naturze. To by³ jedyny kompas i drogowskaz, który mnie prowadzi³.
– Ale w³a¶nie dosta³ Pan najwa¿niejsz± polsk± nagrodê naukow±. A do tego uda³o siê utworzyæ Krajowe Centrum Informatyki Kwantowej. To jednak kariera.
– Dopiero ¶rodowisko, otoczenie, w tym synowie, spowodowa³o, ¿e mog³em osi±gn±æ to, co osi±gn±³em. Uniwersytet Gdañski zapewni³ mi wyborne ¶rodowisko, znakomitych kolegów z zakresu nauk ¶cis³ych. Bez tego otoczenia moje sukcesy nie by³yby mo¿liwe. Moim marzeniem by³o, ¿eby w Polsce istnia³ silny o¶rodek o randze ¶wiatowej, ¿eby do nas przyje¿d¿ali m³odzi ludzie, a nie odwrotnie. Aby kontynuowali nasze odkrycia i badania. Je¶li Polakom uda siê zebraæ razem i co¶ zrealizowaæ, to sukces. Powiem tylko – lista tych, którzy przyczynili siê do powstania centrum, tak¿e z innych o¶rodków polskich, jest d³uga. Historia jego powstania, zreszt± fascynuj±ca, to ju¿ inna rzecz, która wymaga odrêbnego opracowania. Nasz± piêt± achillesow± jest brak laboratoriów, brak zaplecza do¶wiadczalnego. Mamy znakomitych teoretyków, buduj±cych formalizmy. Ale musimy teraz stworzyæ laboratoria. Od formalizmu przej¶æ do implementacji.
Przed chwil± mówi³ Pan, ¿e formalizm to serce nauki, teorii kwantowej.
– Tak, ale jestem z wykszta³cenia in¿ynierem. Implementacja w laboratorium to ostateczna weryfikacja formalizmu. Jednak rzeczywi¶cie zawsze bêdzie mnie fascynowaæ si³a fundamentalnych teorii, odgadniêtych przy biurku, które z ogromn± pewno¶ci± przewiduj± to, co siê wydarzy w przyrodzie czy w laboratorium. W pewnym sensie to prze¿y³em. Spl±tanie zwi±zane by³o te¿ odkryte przy biurku.