De originele versie van dit verhaal verscheen erin Quanta-tijdschrift.
De afgelopen decennia hebben onderzoekers begrepen dat kwantumcomputers dit uiteindelijk zouden moeten kunnen kraak de veelgebruikte codes die een groot deel van de digitale wereld beveiligen. Om zich tegen dit lot te beschermen, hebben ze jaren besteed aan het ontwikkelen van nieuwe codes die zo lijken te zijn veilig voor toekomstige kluiskrakers gewapend met kwantumcomputers.
Tegelijkertijd hebben ze ook bedacht ingenieuze manieren om de regels van de kwantummechanica te gebruiken om de communicatie veilig te houden. Maar de kwantummechanica is, net als de ‘klassieke’ mechanica die eraan voorafging, slechts een theorie over de natuur. Wat als het uiteindelijk wordt vervangen door een vollediger theorie, net zoals de kwantummechanica een eeuw geleden de Newtoniaanse natuurkunde verdrong? Zullen deze kwantumcommunicatietechnieken nog steeds veilig zijn in een wereld waar er een nog fundamentelere reeks regels bestaat?
“In termen van deze cryptografische protocollen is het goed om paranoïde te zijn”, zegt hij Ravishankar Ramanathaneen kwantuminformatietheoreticus aan de Universiteit van Hong Kong die zich bezighoudt met kwantumcryptografie. “Laten we proberen de aannames achter het protocol te minimaliseren. Laten we veronderstellen dat mensen in de toekomst beseffen dat de kwantummechanica niet de ultieme natuurtheorie is.”
Het is een mogelijkheid die het overwegen waard is. De moeilijkheid van openstaande problemen – zoals het verzoenen van de kwantummechanica en de zwaartekracht – suggereert dat een post-kwantumtheorie van de natuur iets heel onverwachts met zich mee zou kunnen brengen.
Om zich te beschermen tegen de mogelijkheid dat hun protocollen gebaseerd zijn op verkeerde aannames, zoeken sommige kwantumcryptografen naar nog meer basisprincipes om op voort te bouwen. In plaats van te vertrekken vanuit de kwantummechanica, graven ze dieper, tot aan het concept van causaliteit.
Een subtiele sabotage
Eén manier om de ontwikkelingen op dit gebied te begrijpen is door de distributie van kwantumsleutels te overwegen, waarbij gebruik wordt gemaakt van de regels van de kwantummechanica om een sleutel door te geven – iets dat kan worden gebruikt om een geheime boodschap te decoderen – op een manier waarmee niet heimelijk kan worden geknoeid. Kwantumsleuteldistributie maakt gebruik van kwantumverstrengeling, die twee deeltjes aan elkaar vergrendelt via een van hun eigenschappen, zoals spin. Kwantumverstrengeling bevat iets van een struikeldraad. Als iemand probeert met de verstrikking te knoeien – zoals ze zouden doen als ze zouden proberen de sleutel te stelen – zal de indringing de verstrikking vernietigen en de sabotage onthullen. Dit komt door een fundamenteel kwantummechanisch principe dat de ‘monogamie van verstrengeling’ wordt genoemd.
Maar wat als dit principe niet langer stand houdt? In een dergelijk geval, als de mensen die de boodschap doorgeven geen volledige controle over hun apparaten hebben, kan een buitenstaander mogelijk op subtiele wijze de verstrengeling van de deeltjes veranderen, waardoor de communicatie wordt verstoord zonder een spoor achter te laten.
Dit proces wordt quantum jamming genoemd, en de pogingen om dit te begrijpen zijn de afgelopen jaren enorm toegenomen.
Voor veel wetenschappers is jammen aantrekkelijk omdat het hen kan helpen zowel de kwantummechanica als de aard van oorzaak en gevolg beter te begrijpen. Ze vragen zich af: zijn er diepgaande principes die jammen verbieden, die het onmogelijk maken? Of zou jamming in de echte wereld kunnen voorkomen als geen enkel principe dit verbiedt?
Jim de Stoorzender
Michaël Ecksteineen theoretisch natuurkundige aan de Jagiellonian Universiteit in Krakau, Polen, illustreert jammen graag met een verhaal. De hoofdrolspelers zijn de klassieke personages uit de verklaringen van de kwantummechanica, Alice en Bob.
‘Stel dat je Alice en Bob hebt, en ze ontmoeten een goochelaar, Jim de Stoorzender,’ zei Eckstein. “De goochelaar zegt: ‘Ik heb twee ballen; één is wit en één is zwart.'”
De ballen vervangen een paar verstrengelde deeltjes. Als twee deeltjes verstrengeld zijn, hebben ze een eigenschap die op de een of andere manier met elkaar verbonden is: als je bijvoorbeeld het eerste deeltje meet en ontdekt dat de spin van het andere deeltje omhoog is, zal de spin van het andere deeltje onvermijdelijk omlaag zijn, en omgekeerd. Dit geldt zelfs als het andere deeltje zich halverwege het universum bevindt. Hier zijn de ballen zo met elkaar verbonden dat als de ene wit is, de andere altijd zwart zal zijn.
