Na WAT powstaje generator splątanych fotonów

Gdyby światłowody nie zostały zawczasu zabezpieczone, w dobie komputerów kwantowych łatwo byłoby przejąć informacje bankowe, poznać transakcje giełdowe, przechwycić komunikację polityczną czy poufne rozkazy wojskowe. Obecnie światłowody są bezpieczne. Będzie tak do czasu, aż powstanie komputer kwantowy i w kilka godzin odkoduje klucze szyfrujące, wykonując obliczenia, które teraz zajęłyby urządzeniom całe lata. Dlatego naukowcy już pracują nad przyszłymi formami szybkiego i bezpiecznego przesyłania danych.

„Biorąc pod uwagę, że takie wrogie 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” – mówi dr inż. Marek Życzkowski z Instytutu Optoelektroniki WAT.

Optoelektronicy wraz z chemikami zamierzają zabezpieczyć przepływ danych w światłowodach budując „generator stanów splątanych” oraz „narodowy mechanizm wymiany kwantowego klucza kodowego”. Aby zrozumieć, co dokładnie robią, należy zacząć od wyjaśnienia, że rozwiązaniem problemu jest komunikacja kwantowa. Matematycznie dowiedziono, że będzie ona możliwa. A jeśli ktoś ją podsłucha – urządzenia natychmiast to zauważą.

„Komunikacja kwantowa” będzie wykorzystywać kwanty światła, które posiadają bardzo szczególną właściwość – stan splątania. Splątanie sprawia, że każdy z pary fotonów zachowuje się identycznie, niezależnie od tego, jaka odległość je dzieli.

„Generator stanów splątanych umożliwi opracowanie takich fotonów. Hipotetycznie można wysłać jeden z pary splątanych fotonów 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” – tłumaczy dr Marek Życzkowski.

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.

Naukowcy na całym świecie pracują nad uzyskiwaniem par splątanych fotonów. Istnieją już pierwsze generatory stanów splątanych, ale bazują na trudnych w użytkowaniu technologiach. Wymagają bowiem chłodzenia do bardzo niskich temperatur i próżni do transportu 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 badaczowi trudno powiedzieć, kiedy powstanie generator możliwy do zastosowania w praktyce. Jego zdaniem w perspektywie 10 lat pojawiają się takie urządzenia i technologie. Na początku ich odbiorcami będą państwa, w tym specjalnie przeznaczone sieci niejawne - na przykład wojskowe i finansowe. W dalszej kolejności zastosują je koncerny telekomunikacyjne, infrastruktura krytyczna czy urzędy.

Dr inż. Życzkowski przyznaje, że prace badawcze cechuje nieokreśloność, a przyspiesza je jedynie lepsze finansowanie. Zdaniem eksperta, Polacy potrafią opracować urządzenia optoelektroniczne komputera kwantowego budowanego na potrzeby europejskie.

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. Pozwoli to zbudować narodową bezpieczną sieć telekomunikacyjną. Taka wymiana danych umożliwi zabezpieczenie przed atakami na światłowód.

Jak ostrzega ekspert, każdemu użytkownikowi światłowodu potencjalnie grozi atak. „Zhakowana” może zostać emisja danych o dowolnym charakterze, jaki przestępcy uznają za cenny. Zwłaszcza na szczeblu instytucji pojawią się ogromne problemy z niejawną komunikacją, jeśli państwa nie zadbają o zabezpieczenie światłowodów.

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. Jednak w przyszłości obecne kodowe klucze szyfrujące nie będą wystarczające.

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. Jednak aktualnie nie ma żadnych środków technicznych lub są nieliczne, które umożliwiałyby ochronę informacji biegnącej w światłowodach przed potencjalnym atakiem z użyciem komputerów kwantowych.

kol/ agt/

Źródło informacji: Nauka w Polsce