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.

"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.

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)