Kvantna komunikacija = tajna komunikacija

»Po vsem svetu v luči aktualnih dogodkov vlada velika težnja po varni komunikaciji in taka je kvantna komunikacija. V zvezi s kvantno mehaniko je možnih veliko novih tehnologij; medtem ko je kvantno računalništvo še stvar sicer ne tako zelo oddaljene prihodnosti, je kvantna komunikacija sedanjost,« poudarja Anton Ramšak, profesor na Fakulteti za matematiko in fiziko (FMF) Univerze v Ljubljani (UL) in vodja projekta SiQUID.

Evropsko financirani projekt Slovenian Quantum Communication Infrastructure Demonstration ali krajše SiQUID je namenjen razvoju in implementaciji kvantne distribucije ključev med več vladnimi vozlišči v Sloveniji in vzpostavitvi raziskovalnega testnega kvantnega omrežja med raziskovalnimi ustanovami. Štiri milijone in pol evrov vredni projekt koordinira UL FMF, v njem pa sodelujejo še Institut Jožef Stefan (IJS), podjetje Beyond Semiconductor in vladna urada za informacijsko varnost ter za varovanje tajnih podatkov. Razvita kvantna komunikacijska infrastruktura bo s tem omogočila tako izboljšavo slovenske in evropske digitalne suverenosti kot tudi industrijsko konkurenčnost. Tako bo postala eden glavnih stebrov nove strategije kibernetske varnosti EU za prihodnja desetletja.

»Tajna komunikacija med vladami, vojskami, bankami poteka na več načinov, vsem pa je skupno, da so zaščiteni z geslom ali ključem, ki naj bo čim daljši. Težava je, kako ta ključ varno izmenjati, da ga nihče ne prestreže. Po klasični poti se izbere neko dolgo geslo, ki ga kurir prenese obema stranema, in tako se prek interneta obe strani mirno pogovarjata. Imamo pa drugo možnost, ki jo ponujajo zakoni kvantne mehanike. Obstaja način, da se lahko sogovornika prek interneta dogovorita za skupen ključ, ki ga nihče ne more prestreči in tako komunikaciji ni mogoče prisluškovati. Res se sliši nemogoče, češ, vedno je mogoče najti način, vendar kvantna mehanika nemogoče spremeni v mogoče,« razlaga prof. dr. Ramšak.

Kvantni ključ ni nič drugačen od navadnega ključa, kvanten je način, kako se zaporedje števil prenese z ene strani na drugo. »Tu nastopi kvantna prepletenost. Že leta 1935 so Albert Einstein, Boris Podolsky in Nathan Rosen objavili znamenit članek o tem, da kvantna mehanika morda ni popolna, da je v njej nekaj zelo nenavadnega. Erwin Schrödinger je nepričakovani pojav poimenoval kvantna prepletenost. Kmalu zatem je Niels Bohr v isti reviji odgovoril, da je s kvantno mehaniko vse v najlepšem redu, a članek ni bil prepričljiv. Več desetletij so se nato fiziki ukvarjali s to 'čudnostjo' kvantne mehanike. Pravzaprav gre za tipično zgodbo v znanosti, ko traja več desetletij, da nekdo sploh pomisli, da bi bila neka teorija lahko uporabna,« opisuje profesor kvantne mehanike.

»Kvantna prepletenost je Einsteina močno motila. V njegovi teoriji relativnosti je predvideno, da se nobena informacija ne more prenašati s hitrostjo, ki je večja od svetlobne. V kvantni mehaniki pa lahko dva osnovna delca prepleteš in lahko sta še tako oddaljena med seboj, pa se bo to, kar se bo zgodilo enemu, zgodilo tudi drugemu. Izkazalo se je sicer, da informacija res ne potuje hitreje od svetlobne hitrosti, vendar ni bilo načina, da bi takrat to preverili.«

V 60. letih je fizik John Bell predlagal eksperimente, da bi preverili te »čudne« elemente kvantne mehanike, vendar jih do 80. let niso mogli izvesti, razlaga dr. Ramšak. »John F. Clauser in Alain Aspect, lanska nobelovca, sta nato neodvisno izvedla revolucionarne poskuse. Potrdilo se je, da če dva prepletena delca svetlobe, fotona, pošlješ v dve različni smeri, bo meritev lastnosti enega že določala tudi lastnosti drugega. To je v klasični fiziki nemogoče pojasniti, v kvantni mehaniki pa je vgrajeno v njeno samo bistvo. Pogosto se sprašujemo, kaj bi na to porekel Einstein, če bi videl, da so bile njegove skrbi odveč in da narava zares deluje tako, kot so napovedali kvantni fiziki.«

Nagrada za raziskovalce kvantne prepletenosti

Od teleportacije do komunikacije

Clauser in Aspect sta tako dokazala pravilnost kvantne mehanike, tretji lanski Nobelov nagrajenec za fiziko Anton Zeilinger pa je šel še korak dlje, saj je zakonom kvantne mehanike dodal uporabno vrednost. Zeilinger je znan po svojem eksperimentu teleportacije, pred nekaj leti pa je s kitajsko ekipo vzpostavil kvantno komunikacijo prek satelita, kar Kitajsko postavlja korak pred druge, ki šele po optičnih vlaknih vzpostavljajo novo varnejšo komunikacijo.

Teleportacija, ja ... a ne za Scottyja

»Teleportacijo poznamo iz znanstvene fantastike. V resnici je ta mogoča, vendar precej drugače, kot jo predstavljajo filmi. Če želimo teleportirati elektron, je najprej treba ustvariti par prepletenih elektronov. Enega obdržimo, drugega odnesemo tja, kamor bomo želeli teleportirati tretji elektron. Tega zdaj približamo našemu elektronu, izmerimo lastnosti, in ker sta naša dva tudi prepletena, tudi tisti na oddaljeni lokaciji pridobi lastnosti tretjega elektrona. Tako se je izvedla teleportacija informacije. Tisti na oddaljeni lokaciji je prevzel vse lastnosti prvotnega, ki se je pri tem postopku spremenil; ne moremo pa prenašati mase elektrona. Če bi želeli kot v filmih izvesti ta način teleportacije, bi torej pomenilo, da bi morali imeti prepletene pare delcev, shranjene na vesoljskih ladjah – kopico bi jih morali imeti na zalogi – in po en delec iz vsakega para bi morali vnaprej poslati na želene lokacije. Ne gre tako kot v filmih, da se je mogoče teleportirati kamorkoli v vesolju. Tega tudi v kvantni mehaniki trenutna znanost ne zna. Poleg tega pa ostajamo na področju osnovnih delcev, človeka ne znamo razstaviti na osnovne delce in ga nato sestaviti nazaj.«

Če prejemnik fotona ne dobi, je jasno, da ga je prestregel nekdo drug. FOTO: Shutterstock  

»Omenjene zakonitosti – nekoliko drugačne kot pri teleportaciji – uporabljamo pri izmenjavi kvantnega ključa. Geslo prenašamo tako, da fotona prepletemo in ju pošljemo v različne smeri. Ker sta prepletena, drug za drugega 'vesta', kakšna sta. In zakaj se ključa ne more prestreči in taki komunikaciji prisluškovati? Zato, ker se izkaže, da se kvantnega stanja ne da skopirati ali klonirati. V posebni napravi se generira prepleten par fotonov in nihče ne ve, kakšno je geslo, ker je naključno izbrano. Tako je nemogoče, da bi ga kdo ugotovil. Sogovornika pa bosta ključ prejela brez posredovanja tretje osebe neposredno prek optičnega omrežja.«

Poleg prepletenosti pri izmenjavi uporabljamo še drug kvantni pojav – izmenjujemo si namreč le posamične fotone, razlaga Anton Ramšak. »Denimo, da si dve ladji izmenjujeta sporočilo s svetlobnimi bliski, kot so to delali v preteklosti. V vsakem takem blisku je na milijarde osnovnih gradnikov svetlobe. Z neke podmornice, na primer, lahko brez težav vidijo svetlobne bliske in na nobeni od ladij tega ne morejo vedeti. Pri kvantni komunikaciji pa zaporedoma pošiljamo po en sam foton in ta lahko prileti v oči le enega – ali tega, ki mu je bil res namenjen, ali pa v oči prisluškovalca. Če prejemnik fotona ne dobi, je jasno, da ga je prestregel nekdo drug. Seveda tudi mi pošiljamo več milijonov fotonov in veliko se jih na poti izgubi. Naši fotoni letijo posamično, zapored, in sicer milijone na sekundo, oba sprejemnika morata imeti zelo natančno uro, da se ve, kateri foton je prispel in kateri ne. Tako teče ta prenos, in šele po tem, ko si pošiljatelja izmenjata informacijo, katere fotone sta poslala in katere dobila, bosta določila, katere bosta uporabila za geslo. Za te je namreč jasno, da jih ni prestregel nihče drug. Tudi vsi morebitni prestreženi fotoni bodo namreč romali v kvoto izgubljenih,« pojasnjuje profesor.

Zeilinger je že pred leti Evropski vesoljski agenciji predlagal, naj v nizko orbito izstreli satelit, preko katerega bi pošiljal prepletene delce, da bi tako nadgradil svoje zemeljske eksperimente v kvantni komunikaciji, vendar v Evropi ni bilo zanimanja za to, so mu pa infrastrukturo omogočili na Kitajskem, kjer imajo zato že zdaj vzpostavljeno testno linijo med Pekingom in Šanghajem. »Kar nekaj korakov so pred Evropo,« pravi Ramšak. Pandemija, vojna, energetski problemi, vse te krize so vendarle nekako koristile znanosti na tem področju, dodaja sogovornik. »V Evropi se zdaj zavedamo, kako pomembna je neodvisnost; tako so pripravili evropski razpis Digital-2021 Quanum Comunication Initiative, na katerem smo bili uspešni tudi na FMF.«

Zapletena teorija v preprosti škatlici

Zakonitosti kvantne mehanike za večino niso hitro dojemljive, a to znanje za vzpostavitev kvantnega komuniciranja ne bo potrebno, saj bo vse to omogočala tehnologija, ki je že razvita ali pa jo ravno v okviru takih projektov razvijamo oziroma izboljšujemo. Tehnologijo je skupina na FMF sicer pred dvema letoma že preizkusila v zgodovinskem dosežku, ko so kvantno povezali tri mesta v treh državah: Ljubljano, Trst in Reko. »Do danes je tehnologija že napredovala, vendar bolj v količini kot kakovosti. Ko smo demonstrirali kvantno komunikacijo, smo želeli vzpostaviti povezavo med Ljubljano, Trstom, kjer je potekalo srečanje G20, in Zagrebom; a Zagreb je bil takrat predaleč, ker v bližini Ljubljane ni bilo nobenega laboratorija, ki bi tudi imel za komunikacijo potrebne detektorje posameznih fotonov. Zato je bila namesto do Zagreba zveza vzpostavljena le do Reke. Takrat smo v Ljubljani imeli samo dva ustrezna detektorja. Zdaj pa imamo v okviru projekta možnost, da nabavimo opremo, vključno s superprevodnimi detektorji, ki so bistveno zmogljivejši. Upamo, da bomo brez težav povezali Ljubljano z mejo proti vsem trem sosednjim državam. Pred dvema letoma smo morali v Postojni narediti vmesno postajo, z novejšimi detektorji bomo lahko šli dlje,« pravi Ramšak in dodaja, da so vmesne postaje vedno lahko ranljive točke.

Kaj nas čaka v kvantni prihodnosti

Ravno ta uspešna demonstracija izmenjave kvantnega ključa med tremi mesti v treh državah je bila odlična referenca za pridobitev evropskega projekta. »Takrat smo sestavili še zelo testen detektor, iz njega so gledale številne žice, Telekom nam je odstopil neuporabljene optične kable. Tokrat bomo skušali komunikacijo vzpostaviti prek obstoječe infrastrukture, povezali smo se še z Institutom Jožef Stefan in podjetjem Beyond Semiconductor, ki je močno na področju klasične uporabe ključev. Glavni raziskovalec pri projektu je profesor Rainer Kaltenbaek, ki je doktoriral pri Zeilingerju, pred nekaj leti pa se je zaposlili pri nas na fakulteti in je zdaj vodja laboratorija za kvantno optiko.

Gre za lep primer, kako se je izredno teoretičen koncept pokazal za uporabnega, poudarja sogovornik. FOTO: Blaž Samec

Tehnologija kvantne komunikacije bo bolj ali manj preprosta za uporabo, še pravi profesor Ramšak. »Predstavljam si, da bo podobno kot pri telefonih. Ko so jih izumili, so bili nerodni, tudi naše naprave so za zdaj še nerodne, pravzaprav še bolj, kot so bili prvi telefoni, vendar ne vidim nobenega razloga, da se naprav v prihodnosti ne bi dalo miniaturizirati in poenostaviti za uporabo. Zelo verjetno se bo vse – od prepletanja do pošiljanja fotonov – dalo narediti na enem samem vezju, ki bo v neki škatlici, ki jo bomo priklopili na računalnik in omrežje,« pojasnjuje in dodaja: »Večina ljudi tega ne bo potrebovala. V vsakdanjem življenju nimamo takšnih skrivnosti, da bi potrebovali ultimativno zaščito pri komuniciranju. Je pa ta nujna na ravni komunikacije vlad, bančnih sistemov, v vojski, zdravstvu. Podobno je pri kvantnih računalnikih. Vsako leto se zgodi kak bistven napredek, a običajnega računalnika ne bo nadomestil. Ti računalniki bodo namenjeni za res ekstremne izračune, na primer lomljenje šifer, v vsakdanu pa jih še ne bomo rabili.«

Ključni izzivi projekta SiQUID bodo: ali lahko uporabljajo obstoječe telekomunikacijsko optično omrežje, kakšne laserje in komponente naj uporabljajo, kako napravo narediti čim manjšo in s tem cenejšo ter enostavnejšo. »Zanimivo v projektu je tudi, da Evropa zahteva uporabo le evropskih komponent, kar je kar hud izziv, saj so se časi dobave zelo podaljšali.«

Naslednja stopnja: satelit

Po besedah Ramšaka bo komunikacija brez težav po optičnih vlaknih tekla do sto kilometrov. Vendar večje ko so razdalje, več fotonov se pri tem izgubi in komunikacija postane neučinkovita. Ena izmed rešitev so dodatna vmesna vozlišča, ki pa so lahko ranljiva, druga možnost so sateliti, kar so na Kitajskem že uspešno preizkusili. »Tudi Evropska vesoljska agencija načrtuje izstrelitev kvantnega satelita v nizkozemeljsko orbito. Gre za satelit Eagle 1. Žal so tudi pri tem projektu zamude. Mi računamo, da bomo lahko sodelovali tudi v tem delu projekta.«

Ramšak še poudari dobro sodelovanje fizikov v Sloveniji, ki so se povezali v projektu – od univerze, IJS do zasebnega podjetja in vladnih služb. »Gre za lep primer, kako se je izredno teoretičen koncept pokazal za uporabnega, da zdaj ta teorija ni več strogo znanstvena, ampak komercialno zanimiva. Pogosto raziskovalci na področju matematike in fizike pri pridobivanju sredstev za projekte težko upravičijo neposredno uporabnost. Tu je drugače,« pravi.

»Hkrati pa tudi ni veliko primerov, da bi toliko časa trajalo, da bi teorija postala uporabna. Kvantna mehanika bo čez dve leti namreč stara že sto let. Leta 1925, ko so jo odkrili, je bila zanimiva, saj so končno razumeli, kako so sestavljeni atomi. Nova teorija je bila odločilna pri razvoju uporabe jedrske energije, še posebej pa je to razumevanje postalo pomembno v zvezi z odkritjem tranzistorja leta 1947, saj izdelava sodobnih elektronskih vezij temelji na kvantni mehaniki. Vse to sodi v prvo kvantno revolucijo. Zdaj smo v drugi, ki pa se je pravzaprav šele začela. V tej ugotavljamo, kako uporabiti zakonitosti kvantne mehanike, kakršna je kvantna prepletenost, ki ne obstaja v okviru klasične fizike. Kvantna izmenjava ključa je morda prva zares uporabna reč, naslednja bo zagotovo kvantno računalništvo.«

Na FMF se veselijo, da bodo v okviru projekta SiQUID pridobili ogromno novega znanja, pomembnega tudi za bazične raziskave. »Sam projekt je precej aplikativen, vendar bomo z izkušnjami in opremo nadgradili tudi temeljne raziskave. Še veliko je problemov v kvantni mehaniki. Eno pomembnih vprašanj je seveda, kako kvantna mehanika deluje pri snovi, ki je večja od osnovnega delca, kakšne so omejitve. Prehod med kvantno in klasično mehaniko je zelo nejasen. Za opis in razumevanje velikih teles uporaba kvantne mehanike ni potrebna, po drugi strani pa vemo, da kvantna prepletenost deluje na posameznih elektronih ali fotonih. Zanimiva so vprašanja, kako prepletenost deluje na skupkih delcev ali celo makroskopskih telesih,« še našteva prof. dr. Anton Ramšak.