Na świecie trwa wyścig na stworzenie m.in. infrastruktury kwantowego internetu. Komunikacja kwantowa będzie niemal niemożliwa do zhakowania

W przeciwieństwie do konwencjonalnego szyfrowania komunikacja kwantowa jest uważana za niemożliwą do zhakowania, a tym samym stanowi przyszłość bezpiecznego przesyłania informacji. Jej rdzeniem jest technologia kwantowej dystrybucji klucza, która wykorzystuje stany kwantowe cząstek, np. fotonów, do utworzenia ciągu zer i jedynek. Każdy podsłuch między nadawcą a odbiorcą zmieni ten klucz i będzie natychmiast zauważony. Trwa globalny wyścig o rozwój zdolności kwantowych, a budowa sieci kwantowych to kolejny krok w tym procesie. Europa już poczyniła kroki w tym kierunku.

– Komunikacja kwantowa jest sposobem na wykorzystanie zjawisk fizyki kwantowej do przekazywania informacji lub ich szyfrowania. Jednym z przykładów jest tzw. dystrybucja klucza kwantowego. W tym wypadku tworzony jest losowy ciąg cyfr, które są generowane np. w źródle splątanych fotonów. Taki ciąg cyfr jest idealnie losowy, co wynika z praw fizyki kwantowej, a dodatkowo nie może zostać podsłuchany. Dzięki zastosowaniu takiego klucza kwantowego będziemy w stanie zaszyfrować informacje i mieć pewność, że żadna siła czy np. wrogowie nie poznają naszych sekretów – tłumaczy agencji informacyjnej Newseria Innowacje Tadeusz Kocman, kierownik ds. rozwoju biznesu SYDERAL Polska.

W przeciwieństwie do konwencjonalnego szyfrowania komunikacja kwantowa jest uważana za niemożliwą do zhakowania. Uważa się ją więc za przyszłość bezpiecznego przesyłania informacji dla banków, sieci energetycznych i innych sektorów kluczowych dla bezpieczeństwa państwa. Rdzeniem komunikacji kwantowej jest kwantowa dystrybucja klucza (QKD), która wykorzystuje stany kwantowe cząstek, np. fotonów, do utworzenia ciągu zer i jedynek. Każda ingerencja między nadawcą a odbiorcą zmieni ten klucz i będzie natychmiast zauważona przez obie strony.

Technologia ta już zaczyna być stosowana. W Tokio podczas olimpiady część komunikacji będzie prowadzona za pomocą kryptografii kwantowej. Takie rozwiązanie zastosowano również w czasie mistrzostw w RPA. Istnieją już np. plany, by cały Singapur został objęty siecią światłowodową, która będzie mogła służyć do dystrybucji kluczy w kryptografii kwantowej. Takie rozwiązania są przyszłością, zwłaszcza że obecnie stosowana komunikacja dla komputerów kwantowych będzie łatwa do odszyfrowania.

– Obecnie obserwujemy rozwój komputerów kwantowych i one wykorzystując algorytm zwany algorytmem Shora, będą w stanie złamać niektóre ze stosowanych obecnie metod szyfrowania informacji. Dlatego komunikacja, którą już teraz przesyłamy za pomocą tego typu szyfrowania, jest narażona na odkodowanie w przyszłości. Ona już teraz może być zapisywana w postaci zaszyfrowanej, np. na dyskach twardych, w oczekiwaniu na to, aż bardzo potężne komputery kwantowe za kilka lub kilkanaście lat pozwolą odszyfrować te wiadomości i ujawnić tajemnice  – mówi Tadeusz Kocman.

Większość dzisiejszego ruchu internetowego jest zabezpieczona technikami szyfrowania opartymi na dużych liczbach pierwszych. Złamanie tych kodów jest trudne, ponieważ klasyczne komputery wolno rozkładają duże liczby. Dla komputerów kwantowych nie stanowiłoby to większego problemu – już w 2019 roku Google pokazał, że jego 54-kubitowy komputer kwantowy może rozwiązać problem, który na klasycznym komputerze byłby praktycznie nie do rozstrzygnięcia – była to pierwsza demonstracja „przewagi kwantowej”. Według szacunków Google’a wykonanie tych samych obliczeń nawet najlepszemu klasycznemu superkomputerowi zajęłoby ok. 10 tys. lat.

Trwa już globalny wyścig o rozwój zdolności kwantowych – komputerów kwantowych, kryptografii czy komunikacji. Jak dotąd najpopularniejsza technologia QKD wykorzystuje światłowody do transmisji na odległość kilkuset kilometrów. Inna wykorzystuje wolną przestrzeń między satelitami a stacjami naziemnymi do transmisji na poziomie tysiąca kilometrów. W 2016 roku Chiny wystrzeliły pierwszego na świecie kwantowego satelitę komunikacyjnego i osiągnęły QKD z dwoma stacjami naziemnymi oddalonymi od siebie o 2,6 tys. km. Także Europa pracuje nad stworzeniem wysoce bezpiecznej infrastruktury komunikacji kwantowej.

– Komisja Europejska w ostatnim czasie powołała inicjatywę rozbudowy europejskiej infrastruktury komunikacji kwantowej. Stworzony został program SAGA, który ma być europejską demonstracją przesyłania klucza kwantowego przez satelity. Już kilka lat temu chińscy naukowcy i inżynierowie stworzyli taką misję i wysunęli się na czoło tego kwantowego wyścigu – zaznacza ekspert.

Za rozwój naziemnych komponentów infrastruktury komunikacji kwantowej będzie odpowiedzialna Dyrekcja Generalna Komisji Europejskiej ds. Sieci Komunikacyjnych, Treści i Technologii (DG Connect). Infrastruktura składałaby się z szeregu kwantowych sieci komunikacyjnych, łączących użytkowników instytucjonalnych i ich infrastruktury krytyczne, a także wrażliwe miejsca komunikacji i danych w Europie. Komponent kosmiczny, SAGA, zostałby opracowany pod nadzorem ESA i składał się z satelitarnych systemów komunikacji kwantowej o zasięgu ogólnoeuropejskim. W projekt chcą się zaangażować także Polacy.

– Firma SYDERAL Polska realizuje program dofinansowany przez NCBiR, który polega na stworzeniu kontrolera dla źródła splątanych fotonów. Właśnie takie źródło splątanych fotonów zapewni ciąg bitów kwantowych, które mogą stworzyć klucz kwantowy później użytkowany do szyfrowania – wskazuje Tadeusz Kocman.

Projekt „Samostrojący elektroniczny kontroler satelitarnego generatora splątania kwantowego” ma na celu opracowanie elektronicznego systemu kontrolującego i sterującego pracą satelitarnego modułu optycznego generującego splątane w polaryzacjach pary fotonów. To pierwszy krok w kierunku zapewnienia stałej wysokiej jakości generacji splątanych par fotonów dla przyszłych misji satelitarnej dystrybucji klucza kwantowego.

– Planuje się, aby misja demonstracyjna w ramach projektu SAGA została wystrzelona w kosmos w 2026 roku. Działania naszej firmy orientują się również na misji SAGA, tutaj jesteśmy w kontakcie z przedstawicielami ESA i widzimy dużą szansę na zaangażowanie SYDERAL Polska w projekt budowy kontrolera dla źródła splątanych fotonów, który powinien być rozpisany w ciągu najbliższych lat – zapowiada przedstawiciel firmy.