Kwantowe technologie z WAT. Powstaje generator splątanych fotonów

Tłem badań i prac prowadzonych przez specjalistów z Wojskowej Akademii Technicznej jest kwestia spodziewanych wyzwań związanych z bezpieczeństwem telekomunikacji światłowodowej po wprowadzeniu do użycia pierwszych komputerów kwantowych. Jak sugerują przedstawiciele WAT - bez poprawienia istniejących zabezpieczeń, w dobie komputerów kwantowych łatwo będzie przejąć informacje bankowe, poznać transakcje giełdowe, przechwycić komunikację polityczną czy poufne rozkazy wojskowe.

Jak wskazują, obecnie światłowody są bezpieczne, ale będzie tak tylko do pewnego momentu, gdyż - ich zdaniem - pozyskanie działającego komputera kwantowego może wydatnie skrócić czas wykonywania obliczeń potrzebnych do łamania zabezpieczeń szyfrowych. "W kilka godzin odkoduje klucze szyfrujące, wykonując obliczenia, które teraz zajęłyby urządzeniom całe lata" - sugerują przedstawiciele WAT.

„Biorąc pod uwagę, że takie nieuprawnione przejęcie danych może wyłączyć np. elektrownie i pozbawić nas podstawowych zasobów bytowych, całe państwo może czuć zagrożenie. Tym ważniejsze są zadania dla nas, naukowców rozwijających prace nad komunikacją kwantową” – wskazał dr inż. Marek Życzkowski z Instytutu Optoelektroniki WAT. Akademiccy optoelektronicy wraz z chemikami zamierzają zabezpieczyć przepływ danych w światłowodach budując „generator stanów splątanych” oraz „narodowy mechanizm wymiany kwantowego klucza kodowego”.

Podstawą, na której budują tutaj swoje wnioski, są naturalne prawa fizyki kwantowej oraz możliwości, jakie dają pod względem zabezpieczania transferu informacji. „Komunikacja kwantowa będzie wykorzystywać kwanty światła, którym można nadać bardzo szczególną właściwość – stan splątania. Splątanie sprawia, że każdy z pary fotonów zachowuje się identycznie, niezależnie od tego, jaka odległość je dzieli" - tłumaczą przedstawiciele polskiej uczelni wojskowej.

Generator stanów splątanych umożliwi opracowanie [splątanych] fotonów. Hipotetycznie, można wysłać jeden z pary [...] na Księżyc, a drugi do sąsiada z osiedla. Jeżeli sąsiad zmieni stan fotonu, to foton na Księżycu zmieni swój stan w tym samym momencie – na identyczny. Jeżeli pierwszy stan uznamy za jedynkę, a drugi za bitowe zero, to możemy kluczować informację manipulując kolejnymi fotonami splątanymi.

Naukowcy na całym świecie pracują nad uzyskiwaniem par splątanych fotonów. Istnieją już pierwsze generatory stanów splątanych, ale bazują zazwyczaj na trudnych w użytkowaniu technologiach. Wymagane są bowiem czynniki chłodzenia do bardzo niskich temperatur i warunki próżni umożliwiającej niezakłócony transport fotonów. „Nasz generator będzie pracował w temperaturze pokojowej. Jednocześnie wygenerowaną parę fotonów splątanych będzie można wprowadzić do zwykłego światłowodu telekomunikacyjnego” – deklaruje szef zespołu naukowego z WAT.

Zaznacza, że samo wygenerowanie pojedynczych fotonów jest już dużym wyzwaniem. Jeszcze trudniej jest je okiełznać w wielokilometrowych odcinkach światłowodu. Naukowcom udaje się jednak trafić w poszczególnych momentach na właściwy foton. Dokonują wówczas takiej modulacji, żeby określić stany bitowe 0 i 1, a potem zapewnić prawidłowy odbiór.

Na razie badacze z WAT nie podają, kiedy ich generator będzie mógł powstać i znaleźć zastosowanie w praktyce. Zdaniem dr. inż. Życzkowskiego, w perspektywie 10 lat pojawiają się już takie użytkowe urządzenia i technologie. Na początku ich odbiorcami mają być jedynie państwa, w tym specjalnie przeznaczone sieci niejawne - na przykład wojskowe i finansowe. W dalszej kolejności będą mogły zastosować je koncerny telekomunikacyjne, infrastruktura krytyczna czy urzędy.

Obecnie zespół optoelektroników WAT pracuje nad budową klucza wymiany kwantowej w światłowodach bez efektu splątania fotonów. Trwają prace nad zabezpieczeniem torów telekomunikacyjnych w przyszłości. Naukowcy opracowali już własne urządzenia do generacji i wymiany kwantowego klucza kodowego i pracują nad ich udoskonaleniem. Celem jest zbudowanie narodowej bezpiecznej sieci telekomunikacyjnej. Taka wymiana danych ma umożliwić zabezpieczenie przed atakami na światłowód.

Dr inż. Marek Życzkowski zwraca uwagę na brak jakichkolwiek norm, czy obostrzeń prawnych na zabezpieczenie transmisji. Większość użytkowników przekonana jest o bezwarunkowym bezpieczeństwie transmisji danych we włóknach światłowodowych. Wszak światłowód nie emituje przecież żadnej fali na zewnątrz, a przekaz jest szyfrowany. Jak twierdzi jednak, w przyszłości obecne kodowe klucze szyfrujące nie będą wystarczające.

Jak wyjaśnia, obecnie każdy może „podpiąć się” w dowolnym miejscu traktu światłowodowego odpowiednim urządzeniem odprowadzającym światło i bez wzbudzenia podejrzeń odbierać strumień zaszyfrowanych danych. Nie odczyta ich jednak, bo nie odkoduje kluczy szyfrujących. Teraz najlepszym klasycznym urządzeniom komputerowym takie obliczenia zajęłyby kilka, kilkanaście lat. Aktualnie jednak badacze niejednokrotnie wyrażają obawy, że ochrona informacji biegnącej w światłowodach przed potencjalnym atakiem z użyciem komputerów kwantowych będzie bez dodatkowych zabezpieczeń będzie niemożliwa.

Źródło: wojsko-polskie.pl