Polscy optoelektronicy prowadzą badania w obszarze komunikacji kwantowej i infrastruktury komputera kwantowego. Uważają, że świat kwantowy dostarczy badaczom potężne narzędzia do wykonania obliczeń, które umożliwią realizację badań kluczowych dla ludzkości z zakresu medycyny czy środowiska.
W Wojskowej Akademii Technicznej prowadzone są prace nad infrastrukturą komputera kwantowego oraz optycznymi technologiami kryptologii kwantowej do ochrony danych w sieciach teleinformatycznych. Optoelektronicy budują klucz wymiany kwantowej w światłowodach bez efektu splątania fotonów i udoskonalają własne urządzenia do generacji i wymiany kwantowego klucza kodowego. Umożliwi to zabezpieczenie światłowodów przed atakami, gdy obecne kodowe klucze szyfrujące przestaną wystarczać.
Ostatnie miesiące były naznaczone bardzo szybkim rozwojem fizyki kwantowej. O jednym z przełomowych odkryć pisaliśmy na naszym blogu w tekście „Czy cyfry kwantowe zapewnią komputerom kwantowym jeszcze większą moc obliczeniową?”.
Kiedy zwykłe metody szyfrowania nie wystarczą
Równocześnie powstaje generator stanów splątanych. Zdaniem naukowca z Instytutu Optoelektroniki WAT, Nagroda Nobla z fizyki kwantowej potwierdza, że „na naszych oczach rozgrywa się nowa era rewolucji technologicznej”. Dr hab. inż. Marek Życzkowski uważa, iż „eksperymentalne potwierdzenie istnienia stanów splątanych wyrazi się w postaci łączności kwantowej o niespotykanych możliwościach i bezpieczeństwie czy też nad wyraz czułych układach sensorycznych”. Zaznacza również, że w świecie klasycznym coś takiego nie istnieje.
Laureatami tegorocznej Nagrody Nobla z fizyki zostali Alain Aspect, John F. Clauser i Anton Zeilinger. Badacze ci zajmują się mechaniką kwantową. Komitet Noblowski docenił ich prace związane ze splątanymi fotonami, ustaleniem naruszenia nierówności Bella i pionierską informatyką kwantową.
Dr hab. inż. Życzkowski uważa, że „prace nagrodzonych w tym roku uczonych oraz ich zespołów prowadzą do wydajnych komputerów kwantowych, do idei kryptografii kwantowej, która jest najbliżej związana z przyznaną Nagrodą Nobla oraz do sensorów kwantowych. Świat kwantowy da nam potężne narzędzia do wykonania obliczeń umożliwiających realizację badań kluczowych dla ludzkości, chociażby z zakresu medycyny czy środowiska”.
Generator stanów splątanych, który powstaje w WAT, to wkład polskich optoelektroników i chemików w prace nad nową, bezpieczną komunikacją kwantową. Ma się ona opierać na zjawisku splątania fotonów. Dzięki tej metodzie nie będzie można „podsłuchać” informacji biegnącej światłowodem. Bez takiego zabezpieczenia, w przyszłości, w dobie komputerów kwantowych, łatwo byłoby przejąć informacje bankowe, poznać transakcje giełdowe, przechwycić komunikację polityczną czy poufne rozkazy wojskowe. Dowody matematyczne wskazują, że komunikacja kwantowa będzie możliwa. Jeśli ktoś ją zakłóci, natychmiast wykryją to odpowiednie urządzenia.
Komunikacja kwantowa będzie bezpieczniejsza
Jak wyjaśnia dr hab. Życzkowski, komunikacja kwantowa będzie wykorzystywać kwanty światła. Posiadają one szczególną właściwość – stan splątania. Sprawia on, że każdy z pary fotonów zachowuje się identycznie, niezależnie od tego, jaka odległość je dzieli. Generator stanów splątanych umożliwi opracowanie takich fotonów. Jeżeli stan jednego z nich się zmienni, to drugi foton, przesłany na znaczną odległość, zmieni swój stan w tym samym momencie na identyczny. Badacz dodaje, że „jeżeli pierwszy stan uznamy za jedynkę, a drugi za bitowe zero, to możemy kluczować informację manipulując kolejnymi fotonami splątanymi”.
Bezpieczeństwo takiej transmisji opiera się na podstawowych prawach fizyki. Jeśli podsłuchujący odczyta stan fotonu odbiorcy, natychmiast zaburzy jego ustalony stan. Fakt takiej zmiany widzi natychmiast zarówno nadawca, jak i odbiorca. Atak na kanał telekomunikacyjny można będzie wychwycić prostymi operacjami optycznymi.
Naukowiec zaznacza, że pierwsze generatory stanów splątanych bazują na trudnych w użytkowaniu technologiach. Dodatkowo wymagają one chłodzenia do bardzo niskich temperatur oraz próżni do transportu fotonów. Generator zbudowany na WAT będzie pracował w temperaturze pokojowej. Szef zespołu naukowego z Instytutu Optoelektroniki deklaruje, że jednocześnie wygenerowaną parę fotonów splątanych będzie można wprowadzić do zwykłego światłowodu telekomunikacyjnego.
Na komunikację kwantową jeszcze poczekamy
Ta przełomowa technologia pozwoli zabezpieczyć nie tylko wymianę danych w światłowodach. Sprawdzi się także w przypadku komunikacji standardowej, która będzie szyfrowana kluczem przekazywanym kwantowo. Jednorazowy kod będzie zbiorem o niepowtarzalnych i przypadkowych sekwencjach znaków.
Badacz zastrzega jednak, że wygenerowanie pojedynczych fotonów jest dużym wyzwaniem, podobnie jak okiełznanie ich w wielokilometrowych odcinkach światłowodu. A także trafienie w poszczególnych momentach na właściwy foton tak, aby dokonać jego modulacji w celu przypisania lub określenia stanów bitowych 0 i 1, a potem zapewnienie prawidłowego odbioru. Dlatego na takie urządzenia będziemy musieli jeszcze trochę poczekać. Przewiduje się, że potrzeba około 10 lat, by na rynek weszły technologie do zastosowania w praktyce. Odbiorcą na początku na pewno będą instytucje państwowe. Powstaną niejawne sieci na przykład dla placówek wojskowych i finansowych. W dalszej kolejności odbiorcami będą koncerny telekomunikacyjne, infrastruktura krytyczna czy urzędy.
Ekspert dodaje, że nadrzędnym planem naukowców jest opracowanie komputera kwantowego w zasobach polskich. Uważa, że Polacy potrafią opracować urządzenia optoelektroniczne komputera kwantowego budowanego na potrzeby europejskie. Poznanie możliwości, jakie niesie technologia kwantowa, zdefiniuje dalsze prace nad zabezpieczeniem torów telekomunikacyjnych w przyszłości.
Komputery kwantowe pozwolą nam na wiele więcej niż bezpieczne rozmowy. O fascynujących perspektywach związanych z tą technologią pisaliśmy o tym w tekście „Kwantowa teleportacja pomiędzy niesąsiadującymi węzłami sieci”.
Źródło: Nauka w Polsce PAP