Wyznaczanie trendów w nauce: Fałszowanie kwantowych pieniędzy

Nie ma wątpliwości, że technologie kwantowe są obecnie na fali w społecznościach naukowych i technologicznych. Wraz z urzeczywistnianiem się teorii, te ekscytujące technologie zapowiadają transformację naszych społeczeństw w ciągu nadchodzących dekad.

Technologia jutra

Jak czytamy czasopiśmie »The Economist« z tego tygodnia: „Czepek, który jest w stanie śledzić pojedyncze neurony, umożliwiając innymi monitorowanie umysłu osoby, która go założy. Czujnik, który jest w stanie wychwycić niewidoczne okręty podwodne z napędem jądrowym. Komputer, który jest w stanie odkryć nowe leki, zrewolucjonizować handel papierami wartościowymi i zaprojektować nowe materiały. Globalna sieć połączeń komunikacyjnych, których bezpieczeństwa strzegą nienaruszalne prawa fizyki. To wszystko – i jeszcze więcej – ma zapewnić technologia kwantowa”.

Unia Europejska również wykorzystuje kwantową koniunkturę, przeznaczając około 550 mln EUR z budżetu programu „Horyzont 2020” na utrzymanie przez Europę pozycji jednego z najprężniejszych ośrodków badań kwantowych na skalę globalną (więcej o działaniach UE w tej dziedzinie: zestawy tematyczne Results Pack nt. technologii kwantowych w serwisie CORDIS.

Ponadto, jak to zwykle w przypadku wszystkich rozwijających się technologii, naukowcy będą musieli nie tylko doskonalić to co się sprawdza, ale także zaradzić istniejącym słabym punktom. Polsko-czeski zespół naukowców właśnie tak postąpił przy opracowywaniu ultrabezpiecznych – w teorii – „kwantowych pieniędzy”, znajdując od razu poważną wadę, która stwarza ryzyko fałszerstwa. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie »npj Quantum Information«.

Fałszowanie niefałszowalnego

W idealnych warunkach kwantowy środek płatniczy jest niepodrabialny. Niemniej jednak nieład panujący w świecie rzeczywistym sprawia, że fałszerz z dostępem do wysokiej klasy sprzętu mógłby obejść zabezpieczenia kwantowe, jeżeli banki nie podjęłyby właściwych środków ostrożności. Koncepcja kwantowych pieniędzy pojawiła się w latach siedemdziesiątych XX w., a jako pierwszy zaproponował ją Stephen Wiesner, wówczas absolwent Uniwersytetu Columbia. Teraz jednak po raz pierwszy ktoś stworzył i sfałszował kwantowe pieniądze.

Zamiast papierowych czy plastikowych banknotów, zespół badawczy wybił kwantowe środki płatnicze ze światła. Przelewy środków odbywałyby się na zasadzie transmisji serii fotonów do banku, a do kodowania informacji służyłaby ich polaryzacja i kierunek fal elektromagnetycznych.

Aby zobrazować swoją technikę w dowcipny sposób, naukowcy przesłali pikselowy obraz starego austriackiego banknotu szylingowego sprzed wprowadzenia euro, polaryzując fotony mające odpowiadać odcieniom szarości. W realnym systemie kwantowych pieniędzy, każdy banknot byłby inny, a rozkład polaryzacji fotonów nie tworzyłby obrazu, tylko byłby losowy. Polaryzacje tworzyłby numery seryjne na podobieństwo kodu, który bank mógłby sprawdzić, aby upewnić się, że środki pochodzą z legalnego źródła.

Co najważniejsze, przestępca, który przechwyciłby fotony nie byłby w stanie ich precyzyjnie skopiować, gdyż nie ma możliwości sporządzenia doskonałej kopii informacji kwantowej. „Na tym tak naprawdę zasadza się bezpieczeństwo kwantowych pieniędzy” – zauważa Karel Lemr, współautor raportu z badań z Uniwersytetu Palackiego w Ołomuńcu, Republika Czeska.

System nie byłby jednak tak bezpieczny, jak to się na pierwszy rzut oka wydaje. A to dlatego, że pojedyncze fotony łatwo się gubią lub zniekształcają w czasie transmisji i bank musiałby akceptować częściowe banknoty kwantowe, analogicznie do papierowych banknotów z oderwanym rogiem. Dzięki temu przestępcy zyskują możliwość tworzenia fałszywych pieniędzy, które nie są doskonałe, ale wystarczająco dobre, aby zaakceptował je bank.

Lemr wraz z kolegami użył optymalnego klonera – urządzenia, które zbliża się do skopiowania informacji kwantowej na tyle na ile to możliwe (technologia wprowadzająca rzeczywisty system pieniężny oparty na technologiach kwantowych fizycznie jeszcze nie istnieje) – aby dokonać fałszerstwa. Zespół wykazał, że bank zaakceptowałby sfałszowany banknot, jeżeli standard dokładności nie byłby dostatecznie wysoki – ponad 84% odebranych polaryzacji fotonów musi pasować do oryginału.

W toku!

Wcześniej ta podatność na zagrożenie „nie została wyraźnie wskazana, ale nie jest zaskakująca” – stwierdza teoretyk informatyki Thomas Vidick z Caltech, który nie brał udziału w pracach badawczych. Jego zdaniem wynik pokazuje, że banki muszą wprowadzić wystarczająco rygorystyczne standardy potwierdzania autentyczności otrzymywanych banknotów.

Eksperyment nie tylko podkreśla ogromny potencjał technologii kwantowych, ale ujawnia także istotne wyzwania z zakresu bezpieczeństwa, które nadal wymagają przezwyciężenia. Nie ograniczają się one li tylko do koncepcji pieniędzy kwantowych, ale też do wielu innych rewolucyjnych produktów, które może przynieść opanowana przez człowieka mechanika kwantowa.

Jak podsumowuje »The Economist«, pozostałe wyzwania dotyczą w większości kwestii inżynieryjnych, a nie naukowych, a rzeczą najbardziej ekscytującą w technologii kwantowej jest jej niewykorzystany jeszcze potencjał.