Slovensko na tepe doby, kvantové siete sa budujú aj u nás

Šestnásteho októbra počas IT konferencie OpenSlava 2024, ktorá sa uskutočnila v priestoroch Fakulty elektrotechniky a informatiky STU, prebehol workshop týkajúci sa využitia základných fyzikálnych princípov na vytvorenie vysoko bezpečných komunikačných kanálov.

Vedci zo Slovenského národného centra pre kvantové technológie Gilberto Borges pôvodom z Brazílie a Francúz Younes Benamara popísali a zároveň aj prakticky predviedli mechanizmus na výmenu šifrovacích kľúčov využívajúci princípy kvantovej fyziky.

Bezpečná komunikácia ide do praxe

Nejde iba o hypotetické úvahy, komunikačné siete založené na pokročilých princípoch sa dostávajú do reality. Na Slovensku sa buduje prostredníctvom projektu skQCI slovenská kvantová komunikačná infraštruktúra. Na spájanie uzlov využíva optické vlákna akademickej dátovej siete SANET. Výhodou je, že nie je potrebné budovať novú fyzickú infraštruktúru, stačí v koncových bodoch siete zapojiť zariadenia fungujúce na kvantových princípoch.

Do konca desaťročia by tak mali byť prepojené nielen krajské mestá, ale aj miesta s významnými vedeckými pracoviskami, napríklad Slovenská ústredná hvezdáreň v Hurbanove. 

Slovenská kvantová komunikačná infraštruktúra sa tak v širšom kontexte stáva súčasťou celoeurópskej kvantovej komunikačnej infraštruktúry zastrešenej iniciatívou EuroQCI.

Tá predstavuje snahu o vytvorenie vysoko zabezpečenej komunikačnej platformy určenej nielen pre vládnu a nadnárodnú administratívu, ale aj pre nemocnice, energetické siete a ďalšiu kritickú infraštruktúru. Okrem pozemného segmentu založeného na optických vláknach bude obsahovať aj kozmický segment, určený na družicovú komunikáciu so zámorskými územiami členských štátov EÚ.

Kvantové počítače môžu ohroziť klasické šifrovanie

Tradičná kryptografia využíva fakt, že niektoré zdanlivo jednoduché matematické operácie trvajú dlho aj na výkonných počítačoch. Napríklad vynásobenie dvoch prvočísiel (čísla nedeliteľné okrem jednotky a seba samého iným číslom) je jednoduchý výpočet, ktorý sa dá vykonať aj na papieri, kým opačná úloha je ťažkým orieškom aj pre tie najvýkonnejšie stroje.

Súčinom akých prvočísiel vzniklo 46388687? Správnu odpoveď 7079 x 6553 nám dá až výkonný počítač, pričom vynásobiť ich vieme aj bez kalkulačky.

Ak by sa však miesto štvormiestnych činiteľov použili stomiestne, rozdelenie súčinu na prvočinitele by trvalo tak dlho, že v rozumnom čase by sme výsledok vôbec nedostali.

Tieto takzvané jednosmerné funkcie sú aj základom algoritmov na výmenu šifrovacích kľúčov. To je operácia nutná na to, aby obidve strany utajenej komunikácie mohli posielané správy nielen úspešne ukryť, ale ich aj dostať späť do čitateľnej formy. K tomu potrebujú zdieľať rovnaký šifrovací kľúč.

Výmena kľúčov pritom častokrát prebieha komunikačnou cestou, ktorá môže byť odpočúvaná, správny postup by teda mal ochrániť tajomstvo aj pred takouto eventualitou.

Jeden z prvých spôsobov bezpečnej výmeny kľúčov je algoritmus Diffie-Hellman. Ten je založený na princípe diskrétneho logaritmu, ktorý patrí medzi jednosmerné funkcie.

Hoci klasické počítače majú s prekonaním podobných algoritmov problémy, novovznikajúce kvantové počítače dokážu niektoré matematické úlohy riešiť oveľa rýchlejšie.

Napríklad kvantový Shorov algoritmus sa zameriava na rozdelenie súčinu na prvočinitele. Jeho autor Peter Shor navrhol aj postup na kvantový výpočet diskrétneho logaritmu. Ich efektívna implementácia na kvantovom počítači by ohrozila bezpečnosť súčasne používaných metód výmeny kľúčov. Podobnému riziku čelili pred desaťročiami elektromechanické šifrovacie stroje s príchodom elektronických počítačov.    

Zvláštnosti kvantovej fyziky zvyšujú bezpečnosť    

Aby bolo možné tajomstvá ukryť aj pred kvantovými počítačmi, je potrebné na utajenie použiť samotnú kvantovú fyziku. Využíva sa fakt, že kvantový stav sa nedá skopírovať a takisto aj to, že pri meraní kvantového systému dochádza ku „kolapsu vlnovej funkcie“ a pri ňom sa niektoré informácie strácajú.

Potenciálny útočník by síce mohol kvantový kanál odpočúvať, vtedy by ale došlo, práve pre vyššie zmienené javy, k takému narušeniu príslušného protokolu, že prenesená informácia by nebola považovaná za platnú.

V praxi sa používa niekoľko protokolov kvantovej distribúcie kľúčov. Prvý z nich BB84 pracuje s polarizáciou fotónov. Ide o ďalšiu zvláštnosť kvantovej fyziky, kde objekt, v tomto prípade svetlo, sa môže prejavovať ako vlna a mať teda rovinu kmitania nazývanú polarizácia a zároveň ho v iných situáciách môžeme pozorovať ako časticu nazývanú fotón.

Protokol BB84 využíva kombináciu polarizačných filtrov na strane odosielateľa a adresáta, ktoré upravujú polarizáciu odosielanej častice. Meranie však prebieha len na strane adresáta. Jeho konkrétnu implementáciu možno vidieť napríklad v kvantovom simulátore.

Ďalším protokolom je E91, ten využíva ešte záhadnejšiu vlastnosť kvantového sveta nazývanú „kvantové previazanie“. Ide o prepojenie kvantových vlastností dvoch alebo viacerých častíc, ktoré tak vytvoria systém kvantových stavov. Využíva sa fakt, že meranie jednej z častíc „skolabuje“ aj stav ostatných.   

Centrum slúži na podporu kvantového výskumu aj implementáciu technológií

Národné centrum pre kvantové technológie je záujmové združenie právnických osôb, ktoré bolo vytvorené v novembri 2021. Jeho cieľom je podpora výskumu, vývoja, implementácie a aplikácie kvantových technológií v Slovenskej republike.

Zakladajúcimi členmi boli Ministerstvo investícií, regionálneho rozvoja a informatizácie SR a Ministerstvo školstva, výskumu, vývoja a mládeže SR. V roku 2022 sa pridal aj Ústav fyziky SAV a Národný bezpečnostný úrad SR.

Okrem budovania kvantovej komunikačnej infraštruktúry je cieľom centra aj zlučovanie výskumných tímov vo forme virtuálneho výskumného ústavu či vytvorenie vzdelávacieho centra pre kvantové technológie pre študentov a post-doktorandov.