Van de fundamentele vragen over hoe het universum werkt tot het beveiligen van communicatie:het zijn de kwantummechanica die de oplossingen voor onze toekomst in handen hebben. Professor Artur Ekert, pionier op dit gebied en vader van de kwantumcryptografie, is sinds april 2021 hoogleraar (adjunct) en hoofd van de Quantum Information Security Unit van OIST. Professor Ekert, die na de pandemie nu vaker bij OIST kan verblijven, werd geïnterviewd.

Met een achtergrond in toegepaste wiskunde was hij pas van plan om in de natuurkunde te gaan werken totdat hij in een bibliotheek 'The Feynman Lectures on Physics' tegenkwam - 'Ik heb het gelezen en was er helemaal verslaafd aan!' zegt prof. Ekert. Met deze nieuw gevonden passie begon hij te werken aan zijn Ph.D. aan de Universiteit van Oxford, waar hij ook zijn mentor David Deutsch ontmoette, de pionier op het gebied van kwantumberekeningen. Tegelijkertijd stuitte hij op een ander invloedrijk artikel over kwantumverstrengeling, geschreven door de beroemde natuurkundige Alain Aspect.

"Ik was diep onder de indruk:het artikel toonde aan dat de kwantummechanica inherent onvoorspelbaar is. Dit was mijn uitgangspunt toen ik begreep dat dit kan worden gebruikt voor veilige communicatie", zegt prof. Ekert. Maar vóór deze baanbrekende experimenten van Aspect en collega's was er een fel debat over de vraag of experimenten in de kwantummechanica inherent onvoorspelbaar zijn of niet.

Hoewel het mogelijk was statistische voorspellingen te doen over de uitkomsten van deze experimenten, bleven definitieve uitspraken altijd buiten bereik. "De vraag was nu:hebben we te maken met echte willekeur in de kwantummechanica of alleen met ons onvermogen om de uitkomsten toch goed genoeg te voorspellen?" legt prof. Ekert uit. Het antwoord op deze vraag bleek ook de sleutel te zijn tot de ontwikkeling van kwantumcryptografie.

Bestaat er echte willekeur in het universum?

Willekeurige gebeurtenissen kunnen worden onderverdeeld in twee verschillende typen, die wetenschappers objectieve en subjectieve willekeur noemen. "Iets kan bijvoorbeeld willekeurig lijken voor jou, maar niet voor mij, omdat ik meer informatie heb waarmee ik de gebeurtenis kan begrijpen en voorspellen. Als je geen toegang hebt tot deze aanvullende informatie, zal de gebeurtenis voor jou willekeurig lijken - dit is wat wij subjectieve willekeur noemen”, legt prof. Ekert uit.

Verrassend genoeg behoort het klassieke voorbeeld van het opgooien van munten tot de categorie van subjectieve willekeur. Met voldoende kennis over de beginvoorwaarden, de beweging en structuur van de munten, de luchtcirculatie in de kamer en meer, zou het resultaat van elke toss perfect voorspelbaar worden. "Objectieve willekeur is daarentegen een gebeurtenis waarvan je de uitkomst niet kunt voorspellen, ook al wist je er absoluut alles van", zegt prof. Ekert.

Of de kwantumfysica elementen van deze objectieve willekeur kent, werd in de 20e eeuw onder wetenschappers besproken en kreeg zeer prominente tegenstand van Albert Einstein.

"Hij dacht dat we de uitkomsten van experimenten in de kwantummechanica niet kunnen voorspellen omdat we informatie missen, en niet omdat ze inherent onvoorspelbaar zijn", zegt prof. Ekert. Als dat klopte en de ontbrekende stukjes informatie konden worden geïdentificeerd, zou de uitkomst van experimenten in de kwantummechanica voorspelbaar moeten zijn geworden. "Hij noemde deze ontbrekende informatie verborgen variabelen", legt prof. Ekert uit.

Dit theoretische debat duurde ongeveer dertig jaar, totdat wetenschapper John Bell met een toetsbare hypothese op de proppen kwam, die nu ook wel de ongelijkheid van Bell wordt genoemd. Deze test maakte het onder meer mogelijk om de vraag te beantwoorden of kwantumgebeurtenissen echt willekeurig zijn of niet.

Zo werkt het in een notendop; tijdens een geschikt experiment met verstrengelde fotonen wordt een specifieke parameter gemeten. Als deze parameter buiten een verwacht bereik valt, ondersteunt dit dat gebeurtenissen op kwantumniveau een objectief willekeurige component hebben, maar als deze binnen het verwachte bereik valt, zijn de bezwaren van Einstein juist en zijn er verborgen variabelen.

"Het probleem was dat toen Bell zijn werk publiceerde, het nog niet mogelijk was om deze zeer gecompliceerde experimenten uit te voeren", zegt prof. Ekert. Met de wiskunde, maar niet met de technische middelen om de test uit te voeren, bleef het debat nog tien jaar onbeantwoord. Tot de jaren zeventig, toen deze experimenten eindelijk mogelijk werden, was John Clauser een van de eersten die ze uitvoerde.

"Toen hij deze eerste experimenten uitvoerde, constateerde hij een schending van de ongelijkheid van Bell, die het feit ondersteunde dat de natuur in haar basis willekeurig is", zegt prof. Ekert.

Maar met de nog beperkte technologie van die tijd bleef deze opwindende bevinding aanvankelijk voorlopig. In feite werd hierover pas eind jaren negentig zekerheid verkregen. Het was onder andere het baanbrekende werk van Alain Aspect, Nicolas Gisin, Ronald Hanson, Jianwei Pan en Anton Zeilinger, over de aard van kwantumverstrengeling en de ongelijkheden van Bell, dat de fundamentele werking van de kwantummechanica voorgoed bevestigde – en aantoonde dat er echte willekeur in kwantumgebeurtenissen.

In 2022 deelden Aspect, Clauser en Zeilinger een Nobelprijs voor hun baanbrekende experimentele inspanningen.

Van kwantummechanica tot kwantumcryptografie

Toen prof. Ekert dit alles hoorde terwijl hij aan zijn doctoraat werkte, realiseerde hij zich dat willekeur kan worden gebruikt om een ​​manier te creëren om onbreekbare encryptie te ontwikkelen. Voordat veilige communicatie kwantum werd, had cryptografie het al mogelijk gemaakt om informatie veilig te verzenden, op één cruciale valkuil na.

"Stel je voor dat je informatie veilig naar iemand anders wilt verzenden. In dat geval hebben jullie allebei iets nodig dat een cryptografische sleutel wordt genoemd, wat een volledig willekeurige reeks van enen en nullen is. Deze sleutel moet strikt geheim worden gehouden!" zegt prof. Ekert. Hoewel de sleutel willekeurig en dus betekenisloos is, zal de houder ervan later het verzonden bericht kunnen decoderen.

Maar deze traditionele manier van versleutelen kent een groot veiligheidsobstakel:het geheim houden van de sleutel. Mocht er op ongeoorloofde wijze toegang worden verkregen, zouden alle verzonden berichten kunnen worden gedecodeerd en hoe zou er ooit volledige zekerheid kunnen bestaan ​​dat niemand toegang heeft gekregen tot de geheime sleutels?

Klassiek werd dit probleem aangepakt door beveiligde communicatielijnen te gebruiken en door het werk van cyberbeveiligingsspecialisten die verschillende veiligheidsvoorzieningen implementeerden om coderingssleutels te beschermen.

"Maar zie je, zelfs met de beste beveiliging kun je er nooit 100% zeker van zijn dat niemand toegang heeft gekregen", benadrukt prof. Ekert.

Dit veranderde allemaal toen de experimenten met de ongelijkheid van Bell aantoonden dat de kwantummechanica een inherent willekeurige component heeft. "Een oplossing is het gebruik van kwantumsleutels. Deze worden gegenereerd met behulp van verstrengelde fotonen", legt prof. Ekert uit.

Deze methode voor het genereren van een cryptografische sleutel maakt het mogelijk om te testen of iemand ongeautoriseerde toegang heeft gehad door gebruik te maken van de stelling van Bell. "Als uw sleutel de ongelijkheden van Bell schendt, kunt u er zeker van zijn dat niemand toegang heeft gehad tot uw sleutel", zegt prof. Ekert. Hiermee had hij een geheel nieuwe manier ontdekt om communicatie te beveiligen:kwantumcryptografie.

Deze encryptiemethode is nu belangrijker dan ooit, omdat de vooruitgang in de ontwikkeling van kwantumcomputers klassieke encryptie minder veilig zal maken – een probleem voor gevoelige gegevens, bijvoorbeeld in de medische of financiële sector. Hier biedt kwantumcryptografie een manier om bescherming te garanderen, maar het zal waarschijnlijk niet de standaard worden voor alle communicatie.

"Kwantumcryptografie zal de klassieke methoden niet volledig vervangen, omdat er niet altijd behoefte is aan perfecte beveiliging. Niet elke auto hoeft aan de Formule 1-normen te voldoen; dat geldt ook voor encryptie", zegt prof. Ekert.

Niettemin is het ontwikkelen van moderne cyberbeveiligingsstrategieën die gelijke tred houden met de complexe technologische wereld van vandaag een belangrijke uitdaging voor zowel de wetenschap als de samenleving, en een van de redenen die prof. Ekert naar OIST bracht.

"Ik ben hier om een ​​levendige kwantum- en cyberveiligheidsgemeenschap in Okinawa te helpen creëren en ik wil ook helpen mensen voor te lichten over cyberveiligheid en de gegevensbescherming te verbeteren", zegt prof. Ekert.

Een tweede focus zal zijn onderzoek naar het concept van willekeur zijn, waarvoor OIST ideale omstandigheden biedt. "Ik waardeer de mooie en rustige omgeving in Okinawa", benadrukt prof. Ekert. Hoewel het nu een feit is dat objectieve willekeur een rol speelt in de kwantummechanica, behandelt prof. Ekerts onderzoek hier bij OIST een misschien relatief fundamentele vraag over de aard van ons universum:"Ik ben geïnteresseerd in waarom dingen willekeurig zijn", zegt hij.

Aangeboden door Okinawa Instituut voor Wetenschap en Technologie