Itt készül a jövő - a BME laboratóriumában jártunk, ahol a kvantumforradalom alapjait építik

2022 / 06 / 20 / Bobák Zsófia
Itt készül a jövő - a BME laboratóriumában jártunk, ahol a kvantumforradalom alapjait építik
A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Karának (BME VIK) épülete rejti azt a laboratóriumot, ahol a jövő kvantuminformatikai rendszereinek fejlesztése zajlik, a múlt héten pedig mi is betekintést kaphattunk azokba a kísérletekbe és a berendezések működésébe, amelyek az elkövetkező években potenciálisan forradalmasíthatják a kommunikációs hálózatokat.

Az első lépések a kvantumjövő felé

Kanyargós folyosókon és a vizsgaidőszak miatt kihalt lépcsőházakban jutottunk el a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Karának egyik legérdekesebb helyszínére, Alíz és Bob lakóhelyére, ahol a jövő hálózatait építik a kutatók és ahol azok a kísérletek zajlanak, amelyek az egyszer, évek múltán már szélesebb körben is használt kommunikációs rendszerek és a titkosítási folyamatok új formájának létrejöttét alapozzák meg.

A BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszéken működő Mobil Kommunikáció és Kvantumtechnológiák Laboratórium 1997-ben még nem ezen a néven indult, a Pap László alapította labort akkor még Westel Mobil Kommunikációs Laboratóriumnak hívták, de a cél már akkor is a kommunikációs hálózatok működésével kapcsolatos kutatások elősegítése volt és a nagyobb szolgáltatók, mint a Westel vagy a Pannon is itt végezték el a különböző mérési munkáikat. A kvantumtechnológia integrálására a fejlesztések irányát tekintve később került sor, a labor nevébe 2012-ben vették fel a kvantum kifejezést és körülbelül ekkor indultak a gyakorlati, tényleges építéssel zajló munkák is Imre Sándor vezetésével, de magával a kvantuminformatikával már jóval régebb óta, nagyjából húsz éve foglalkoznak az intézményben - tudtuk meg Dr. Bacsárdi Lászlótól, a laboratórium vezetőjétől.

A legutóbbi, májusban zajló és távolsági rekordot döntő kvantumkulcs-szétosztási kísérletben is azt a berendezést használták, amelyet ekkor, 2012 után kezdtek el fejleszteni és a házon belül épült géppel mostanra sikerült olyan eredményeket elérni, ami hazai viszonylatban egyedülálló teljesítménynek számít. A saját fejlesztésű berendezés elkészítése nem volt egyszerű folyamat, már az első lépések is kihívásokat tartogattak.

"Az elején fél évet csak azzal töltöttünk, hogy fizikusokkal, informatikusokkal, villamosmérnökökkel beszélgettünk arról, hogy ugyanazokat a dolgokat értjük-e a különböző kvantumfizikai kifejezések alatt.

A kvantumösszefonódás jelenségét is különböző csoportok más-más módon definiálták" - mesélte Bacsárdi.

A fejlesztéseknek nagy lökést adott a 2017-ben indult, 3,5 milliárd forintos költségvetésből megvalósuló HunQuTech projekt, amelynek konzorciumi tagjai közé tartozott a BME is, a kvantumkommunikációs tevékenységekért pedig a Villamosmérnöki és Informatikai Kar felelt: a támogatásból végre elkezdhetett megépülni a második generációs kulcsszétosztó berendezés és a szabadtéri kvantumkulcs-szétosztó rendszer, valamint egy kvantumvéletlenszám-generátor is. A 2020-ban induló Kvantuminformatika Nemzeti Laboratórium (QNL) egyik alapító tagjaként a BME aktívan részt vállalt az itt zajló kutatások fontos irányának, a regionális kvantumhálózat megalapozásának munkálataiban, és ennek részét képezi a kvantumkulcs-szétosztó rendszer fejlesztése is.

A kvantumkulcs-szétosztás titkai

A kvantumkulcs-szétosztás mindkét formáját, a szabadtéri és a vezetékes verziót is tesztelik a Mobil Kommunikáció és Kvantumtechnológiák Laboratóriumban, a két megoldás közötti különbség alapvetően a fotonok által megtett út hosszában és így a rendszer segítségével összeköthető helyszínek távolságában rejlik.

Vezetékes kulcsmegosztás

Az optikai szálakon megvalósított kulcsmegosztás előnye, hogy a már kiépített, jelenleg is kommunikációs célokra használt hálózatokon futtatható, emellett a detektorok akár szobahőmérsékleten is végezhetik a munkájukat, ami nagy könnyebbséget jelent a rendszer üzemeltetése szempontjából. A BME-re azonban nemrégen megérkezett az a svájci gyártmányú berendezés is, ami ettől eltérő módon, kriogenikus hűtéssel működik és potenciálisan kiküszöbölheti a vezetékes technológia egyik hátulütőjét, a viszonylag kis távolságok áthidalására alkalmas hatékonyságot, ami hosszabb távokon már jelentősen csökken.


A kriogenikus hűtésért felelős berendezés

"Amikor elküldünk egy fotont egy optikai szálon, haladása közben csillapítást fog szenvedni és előbb-utóbb nem tudjuk detektálni."

- magyarázta a laboratórium vezetője - "A most kereskedelmi forgalomban kapható gépek esetében ez hatvan-kilencven kilométert jelent, bár bizonyos kísérletek során speciális, kifejezetten erre a célra kialakított optikai szálakkal már négyszáz kilométert is elértek."

A kriogenikus hűtés (ami alatt ebben az esetben nagyjából egy-három Kelvint, vagyis mínusz 270 Celsius-fok körüli hőmérsékletet kell érteni) azonban védi a környezet zajától az érzékeny detektorokat, amelyek ennek köszönhetően a hagyományos optikai vezetékeken haladó fotonokat is érzékelni tudják akár száz-kétszáz kilométeres távon is. A BME kriogenikus hűtésű szupravezető nanohuzalos egyfoton detektora, aminek piaci értéke százmillió forint körül mozog, egy vákuumpumpa és kriosztát segítségével éri el a kellően alacsony működési hőmérsékletet és a jövőben érdekes kísérlet egyik alanyaként szolgál majd: a Wigner Fizikai Kutatóközponttal együttműködésben tervezett teszt során a Wigner épületében található, nemrégen beszerzett és hasonló típusú detektorral összekötve vizsgálják a kutatók a kriogenikus módszer hatékonyságát, siker esetén pedig akár egy 250 kilométeres, Pozsony-Budapest viszonylatú kvantumkulcs-szétosztó hálózat is megvalósításra kerülhet.

A berendezés még egészen új, május közepén üzemelték be, és három hétnyi tesztelés után jelenleg egy generálási szakaszban van, de a tervek szerint a nyár közepén újra működésbe lép és valamikor ősszel kezdődhetnek meg rajta a kísérletek.

Szabadtéri kvantumkulcs-megosztás

A szabadtéri kvantumkulcs-szétosztó rendszerek nem optikai szálakon, hanem szabadon, a levegőben haladó fotonokkal működnek és több szempontból is igen hasznos szerepet tölthetnek be a titkosítási folyamatokban.

"A vezetékes hálózatokkal is áthidalhatóak nagy távolságok, de ebben az esetben bizonyos pontokon (hatvan-kilencven kilométerenként) detektorokat kell telepíteni.

Megfelelő mennyiségű eszköz elhelyezésével megoldható ugyan a rendszer kiépítése, azonban fontos szempont, hogy meg is kell bíznunk a berendezésekben, abban, hogy nem férnek hozzá illetéktelen felhasználók, tehát biztonság tekintében más szintet képvisel a vezetékes és a szabadtéri technológia." - mondta el a kutató - "A műholdas kvantumkommunikációs rendszernél az alacsony Föld körüli pályán, 300-800 kilométeres magasságban keringő műholdakkal nagyon nagy távolságokat le lehet fedni, ezért is fordul egyre több kutatócsoport figyelme a szabadtéri rendszerek irányába."

Az egyetemen az Európai Űrügynökség (ESA) támogatásával megvalósuló programban ezzel kapcsolatos kutatások is zajlanak, valamint egy saját fejlesztésű szabadtéri kvantumkulcs-szétosztó berendezés is épül, amelyet hamarosan tesztek során is kipróbálnak. Az egyik ESA projektben, amelyben az ATL Zrt.-vel közösen valósítottak meg a laboratórium kutatói, azt vizsgálták, hogy Magyarországon milyen helyszínen lenne érdemes elhelyezni egy kvantumképes optikai vevőállomást, amelyen, a tervek szerint 2024 után induló európai kvantumkommunikációs műholdakkal lehet majd kommunikálni.

A másik programban a Relcom Kft-vel együttműködve arra keresték a választ, hogy a leendő műholdas rendszer űrbeli és földi egységei között hogyan valósítható meg a minél precízebb szinkronizáció, ami alapvető fontosságú lesz a hálózatok megbízhatósága szempontjából.

"Amikor átküldünk fotonokat egy rendszeren, feljegyezzük a részecske generálásának és beérkezésének időpontját is, de mivel itt fénysebességgel haladó fotonokról van szó, ezért ehhez a nanoszekundumos tartományba eső időbélyeg használatára van szükség. Ezt csak nagyon pontos órajel átvitellel lehet megvalósítani."

- mondta a mérnök, a kísérletben használt teleszkópot, akárcsak a többi berendezést, pedig mi is megnézhettük közelebbről, hogy megtudjuk, hogyan működik a szinkronizáció a segítségével.

A teleszkóp az órajel átvitelben segít, amely a foton kiindulópontja (az Alíznak nevezett egység) és a beérkezési hely (Bob) méréseinek összehangolását oldja meg, ezáltal, a foton létrejöttének pontos időpontját feljegyezve, majd ezt Bob méréseivel összevetve, láthatóvá válik, hogy melyik foton melyik érkezési idővel korrelál, az órajel pedig ennek a folyamatnak az alapvető fontosságú eleme. A decemberben indult, szintén a BME laboratóriumának részvételével zajló ESA projektben ennek a rendszernek a kiépítésén és a pontosságának növelésén dolgoznak a kutatók.

Az órajel átviteli berendezést néhány héten belül a Vodafonnal közös teszt során teszik próbára és a Mobil Kommunikáció és Kvantumtechnológiák Laboratórium által készített szabadtéri kvantumkulcs-szétosztó berendezés is, a remények szerint, hamarosan szintén teszteknek nézhet elébe.

A rendszer több összetevőből áll: a detektorokból, egy fotonforrásból, amelyben az összefonódott részecskék generálása történik lézerek és tükrök segítségével, valamint több, az egységeket összekötő optikai kábelekre csatlakoztatott, manuálisan állítható eszközből, amelyek az optikai szálak hibáit javítják a polarizáció módosításával. A fotonok 405 nanométeres hullámhosszon lépnek ki a forrásból, beleütköznek egy béta-bárium-borát kristályba, amely minden egyes fotont kettéhasít, majd a részecskék tükrök között haladnak tovább, egészen az optikai szálakig. Az egyik szál az egyik detektorhoz, Alízhoz vezet, a másik Bobhoz, vagyis az összefonódott fotonpár tagjai külön berendezésekben fejezik be az útjukat. Az optikai szálak a távcsőbe csatlakoznak, ahol továbbküldik a fotont egy másik távcsőbe és onnan a mérőberendezésbe, ami a kísérlet alatt a Vodafonnál lesz majd.

Egy ilyen szabadtéri összefonódott fotonforrás piaci ára 40 ezer eurótól indul, és az egyetemen a Természettudományi Karon működő Atomfizika Tanszéken kísérleti fejlesztéseken belül kettőt is építettek belőle, de a cél nem a kereskedelmi forgalmazás, hanem a laboratóriumi tesztek elvégzése és a kutatások elősegítése. Egy későbbiekben létrejövő egyetemi spin-off cég, amelyre külföldön számos példát találhatunk, esetleg, megfelelő tőkével, belekezdhetne a sorozatgyártásba is, de a magas költségek miatt a hangsúly ma még elsősorban az alapok megteremtésén és a kísérletezésen van.

Hogyan kerüljük el a kvantumapokalipszist?

A kvantumkommunikációs jövő azonban megállíthatatlanul közeledik, és az intézmények, cégek és állami szereplők egyre nagyobb szerepet szánnak a terveikben a legújabb generációs megoldásoknak. De miért is van nagy szükség a rejtélyes kvantumfizikai jelenségek kiaknázására a kommunikációs hálózatok építésénél? Mivel jelentenek majd jobb megoldást az eddigi rendszerekhez képest?

A BME kutatója szerint a kvantumszámítógépek elsősorban specifikus feladatokra, a nagy számítási kapacitást igénylő számítások kivitelezésére lesznek legjobban alkalmazhatóak, azonban egy területen, a kriptográfia tekintében, jelentős változást hozhatnak és ez a változás nem lesz feltétlenül pozitív.
"A kvantumszámítógépekkel fel tudjuk majd törni a napjainkban használatos titkosítási eljárások nagy százalékát, ráadásul, ha valaki most, 2022-ben elkezdi lementeni az internet forgalmának egy részét, akkor egy tíz év múlva működésbe lépő kvantumszámítógéppel ezeket az adatokat is feltörheti, így kiderülhet például, hogy 2022-ben miről leveleztek az emberek." - mondta el a mérnök.

Bizonyos esetekben, például az egészségügyi adatbázisok, úgymint az Elektronikus Egészségügyi Szolgáltatási Tér dokumentumait tekintve, vagy (azokban az országokban, ahol a választások elektronikusan zajlanak) a szavazásokkal kapcsolatos érzékeny adatokat figyelembe véve ez a lehetőség kockázatot is tartogathat az egyelőre még távolinak tűnő jövőben, ezért jobb már most felkészülni minden eshetőségre.

"Felmerülhet a kérdés, hogy ki is akarná lementeni az internet forgalmát, főleg, hogy hatalmas mennyiségű adatról van szó, de láthattunk rá példát, az orosz-ukrán háború előtt is, hogy az európai forgalom hirtelen orosz vagy kínai szervereken kezdett haladni.

A kvantumkulcs-szétosztás ezekre a problémákra kínál működőképes megoldást és hosszú távon is garantálja a biztonságot." - mondta Bacsárdi, hozzátéve, hogy a technológiai érettség szintje már elérte azt a fokot, ami az alkalmazáshoz szükséges, de egyelőre a cégek többsége nem használja ki a rendszerben rejlő potenciált. A piackutatások eredményei szerint azonban a helyzet gyorsan megváltozhat és 2030-ra már jóval többen vehetik igénybe a kvantumrendszerre alapozott titkosítási módszereket. A változást beindító kezdőlökést talán az adhatja meg, ha az egyelőre még inkább kísérleti fázisban tartó kvantumszámítógépekkel ténylegesen feltörik majd az RSA titkosítási algoritmusokat, de addig is a kvantumkulcs-szétosztó rendszerek fejlesztése egyre magasabb szintekre emeli a módszer hatékonyságát.

Quapitális tervek

A laboratórium tervei között ambiciózus programok szerepelnek: a már említett kísérleteken kívül számos fejlesztés zajlik, építik például a kvantumvéletlenszám-generátort, és tervben van a budapesti kvantumkulcscsere-hálózat létrehozása után, amelyet a Kvantuminformatika Nemzeti Laboratórium keretein belül összefogásban dolgozó többi intézménnyel együtt fejlesztenek, egy regionális hálózat megteremtése is.

A Quapital program során Sopron, Pozsony, Bécs, Zágráb Prága és még számos más nagyváros között hozzák létre azt az európai kvantuminternet rendszert, ami a már meglévő optikai hálózaton működik majd. A 2018-ban indult kezdeményezés célja, hogy a közép-kelet-európai régióban összekösse a fővárosokat (innen az elnevezés) egy közös kvantuminformatikai hálózatba és Bacsárdi László elmondása szerint már azzal kapcsolatban is folytattak megbeszéléseket, hogy a Magyar Telekom hálózatának segítségével hogyan tudnák kiterjeszteni a jelenleg épülő rendszert és eljutni a magyar határokon túlra.

2019-ben az EuroQCI (European Quantum Communication Infrastructure) projekt egy ennél még szélesebb körű együttműködést indított útjára az európai uniós államok között: az EuroQCI nyilatkozatát mind a 27 tagállam képviselői aláírták és a tervek részét képezi a műholdas összeköttetés megvalósítása is, amihez a magyar fejlesztések eredményei is aktívan hozzájárulhatnak. Első körben egy nemzeti hálózat kerül kiépítésre, majd ha minden jól megy, jöhet a bővítés, az ezzel kapcsolatos első pályázatokat pedig július végén bírálják majd el.

A titkosítás segíthet tehát az egyetemek, cégek és akár állami intézmények érzékeny adatainak védelmében - Magyarországon elsők között a Wigner Fizikai Kutatóközpont és a Kormányzati Informatikai Fejlesztési Ügynökség (KIFÜ) adatközpontjait tervezik összekötni, így a köztük zajló kommunikáció már a kvantum kulcsmegosztási technológia által nyújtott biztonságot élvezheti majd. De mikorra számíthatunk egy ténylegesen használható rendszer létrejöttére?

"A mi rendszerünk jelenleg alkalmas a szövegek és képek átvitelére, de egyelőre nem használható arra, hogy például HD minőségű videókonferencia hívást folytassunk.

Ehhez ugyanis nagy mennyiségben van szükség kvantumkulcsok előállítására, de a kísérleti fázisban lévő rendszerek nem arra vannak optimalizálva, hogy ilyen mennyiségű kulcsot tudjanak rövid időn belül generálni" - magyarázta Bacsárdi. Az Európai Űrügynökség múltheti workshopján, a ScyLighton, amelyen a mérnök is előadást tartott, hoztak egy szemléletes példát arra, hogy hol is tart jelenleg a kvantumhálózat teljesítménye - a számítások szerint egy Föld körüli pályán keringő kisműholdas kvantumkulcs-szétosztó rendszerrel éves szinten pár száz kilobitnyi kulcsot lehetne megosztani, ami ahhoz sem elegendő, hogy egy jobb minőségű képfájlt átküldjenek a segítségével.


Ezen az optikai asztalon éppen egy új kvantum alapú véletlenszám-generátort építenek a kutatók

Ebben a detektorban a fotonokat a kristályok a polarizációjuk alapján választják szét

A berendezések fejlesztései és a folyamatos tesztelések ezért játszanak rendkívül fontos szerepet a rendszerek teljesítményének javítása szempontjából, és a laboratórium ambiciózus céljai is segíthetnek megalapozni a jövő hálózatainak működését.

(Fotó: Bobák Zsófia/Raketa.hu, ESA/P. Carril, Getty Images/Lan Zhang)


Így lettek a szexuális játékszerekből digitális kütyük
Így lettek a szexuális játékszerekből digitális kütyük
Lassan már senkit sem lep meg, hogy egy intim segédeszköznek legalább olyan jól kell tudnia csatlakoznia a wifihez vagy egy telefonhoz, mint a viselőjéhez, használójához.
Egy autógyártó robotja önállóan liftezik és arcfelismerő technológiával cserkészi be azokat, akik kávét szeretnének inni
Egy autógyártó robotja önállóan liftezik és arcfelismerő technológiával cserkészi be azokat, akik kávét szeretnének inni
99,9%-os pontossággal azonosítja a robot azokat, akik a kávéjukra várnak.
Ezek is érdekelhetnek
HELLO, EZ ITT A
RAKÉTA
Kövess minket a Facebookon!
A jövő legizgalmasabb cikkeit találod nálunk!
Hírlevél feliratkozás

Ne maradj le a jövőről! Iratkozz fel a hírlevelünkre, és minden héten elküldjük neked a legfrissebb és legérdekesebb híreket a technológia és a tudomány világából.



This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.