Ön itt áll: A HivatalrólSajtószobaA Hivatal a hírekbenNyomtatott sajtó
A kvantuminformatika küszöbén
2019. március 20.
Módosítás: 2019. március 20.
Olvasási idő: 11 perc

A kvantuminformatika megjelenése

A kvantumfizika, kvantummechanika legfontosabb alapjelenségeit megismerve rátérhetünk arra, hogy ezeket a sajátos viselkedési formákat hogyan lehet informatikai célokra alkalmazni, felhasználni. Mint már szóltunk róla, 1982-ben, a kvantum-teleportáció kísérleti megvalósítását követően sokak számára nyilvánvaló volt, hogy e jelenség megteremti a zérus idejű, tetszőleges távolságú információtovábbítást, s ezzel az információátviteli kutatásokat egyszer s mindenkorra le lehet zárni. Nagy csalódást okozott, amikor kiderült, hogy ez a kvantumjelenség információ átvitelére közvetlenül nem alkalmas. Ugyanakkor hamarosan nyilvánvalóvá vált, hogy a kvantummechanika különleges jelenségei az informatika számos területén új lehetőségeket nyújtanak. Mára már önálló, gyorsan fejlődő tudományterületként kell a kvantuminformatikára tekintenünk.

A kvantummechanika, a kvantumfizika eddigi történetét áttekintve láthattuk, hogy a kezdetektől az a jellemző, hogy az elméleti és a kísérleti, gyakorlati munka egymást segítve, esetenként megelőzve vezetett újabb és újabb eredményekre, a kvantumrészecskék világának megismerése felé haladva. Nemegyszer előfordult, hogy egyes esetekben utólag derült fény arra, hogy egy-egy technológiai lépés, elektronikus alkatrész működése mögött kvantumfizikai események rejlenek. Az elmélet fejlődése viszont később lehetővé tette, hogy céltudatosan lehessen új megoldásokat, elektronikus eszközöket kifejleszteni. Ma már a kvantumelektronika önálló kutatási – fejlesztési terület. Időközben egy további kutatási – fejlesztési terület körvonalai is kialakultak, elérkezünk a kvantuminformatika korszakának küszöbére. A legújabb gyakorlati eredményeket a hagyományos informatika, a kvantumelektronika és az elméleti kvantuminformatika együttműködése révén sikerült elérni. Az már bizonyosan látszik, hogy az információ nagy sebességű továbbítása, feldolgozása, hasznosítása, az adatvédelem és a -titkosítás fejlesztése, az ezekhez szükséges eszközök kifejlesztése a kvantumvilág lehetőségeinek felhasználásával minden eddiginél nagyobb eredményekkel kecsegtet.

A „kvantumos kommunikáció” több, különféle információtovábbítást is jelenthet. A jelenlegi kutatások három irányban folynak: 1. Kvantuminformáció továbbítása kvantumcsatornán, esetleg hagyományos csatornán, vagy a kettő kombinációján. A kvantum-teleportálás lényegében ebbe a csoportba tartozik. 2. Klasszikus információ átvitele kvantumcsatornán. A hagyományos információt kvantumos jelenségekké kell alakítani, ezeket továbbítani kvantumcsatornán, majd a vétel helyén az eredeti információt vissza kell állítani. 3. Klasszikus információ továbbítása, a kvantuminformatika által biztosított nagy fokú, akár feltörhetetlen biztonsággal. Pillanatnyilag ez a gyakorlatban is megvalósítható változat, a kvantumtitkosítás ezt a megoldást támogatja (ld. a következő alfejezetben).

A kvantuminformatika egyik rendkívül látványosan fejlődő területe a kvantum-információelmélet. Ez az elméleti tudományterület mintegy előkészíti a későbbi gyakorlati kutatásokat. A már megismert kvantumjelenségek mellett az elmélet számos új esemény matematikai lehetőségét ismerte fel, amelyeket később kísérleti úton is igazolni lehetett. Cikkünkben nem vállalkozhatunk ezen eredmények matematikai bemutatására, eddig is csak a jelenségeket mutattuk be. A szuperpozíció, az összefonódás, a kvantum-teleportáció mellett már sok további kvantumjelenség is ismeretes (pl. a kvantumpárhuzamosság, a kvantumkeresés). A „hagyományos” informatika hardverrendszereinek az alapja a biteket kezelő logikai kapuk sora. A kvantuminformatikai megfelelők a qubitek és a kvantumkapuk, amikről a későbbiekben, a kvantumszámítógépek kapcsán röviden szólunk majd. Akit ez az izgalmas terület vonz, ma már hazai egyetemi kurzusokon is megismerkedhet a kvantummechanikai jelenségeket leíró matematikai apparátussal, az elért eredményekkel.

A kvantuminformatika fejlesztői a kvantummechanika varázslatos világának jelenségeit igyekeznek felhasználni. Ugyanakkor a kommunikációs rendszerek kialakításakor sok esetben a hagyományos átviteli rendszerek kvantumos megfelelőinek alkalmazása is célszerű lehet. Ez a „kvantumos kivitel kifejlesztése” azonban sokszor rendkívül problémás, esetenként elvileg, matematikailag sem megvalósítható. Így pl. egy ismeretlen állapotú kvantumrészecskét nem lehet lemásolni. Ez az elméletileg már bizonyított kvantumjelenség sok technikai megoldásban rendkívül hátrányos, egyes esetekben azonban hasznos is lehet (pl. a kvantuminformáció „ellopása” elé is hatékony sorompót állít).

A hagyományos kommunikációban ma általában üvegszálon továbbítanak fényjeleket. Ezek a jelek azonban csillapodnak, ezért a kábelbe megfelelő távolságokon erősítőket kell beiktatni. A hagyományos üvegszálas átvitel esetén kétirányú erősítőket alkalmaznak. A kvantumátvitel rendszerében jelenleg ilyen erősítő nem ismert, lényegében az előzőekben említett „Nincs másolás” tétel miatt.

A kvantuminformatika kutatása-fejlesztése területén a hazai eredmények is figyelemreméltóak, s bár egyértelműen a jövő technológiájáról van szó, Magyarország sem kíván az élmezőnytől leszakadni. Egyetemeinken nemcsak kutatják a kvantuminformatika területeit, de az oktatásnak is szerves elemei ma már az ilyen tematikájú kurzusok. Kutatóintézeteink, sőt egyes informatikai cégeink is bekapcsolódtak az új tudományterült kutatásába. A BME kutatói (Imre Sándor, Balázs Ferenc, Gyöngyösi László) pl. a nemzetközi könyvpiacon is érdeklődésre számot tartó könyvekben jelenítették meg eredményeiket (67. és 68. ábra). Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontjában működnek a Szilárdtestfizikai és Optikai Intézet kutatócsoportjai, a Kvantumoptikai, valamint a Kvantuminformatikai és a Kvantummechanika Alapjai csoportok. 2018 februárjában az MTA székházában a Nemzeti Kvantumtechnológiai Program a „Kvantumbitek előállítása, megosztása és kvantuminformációs hálózatok fejlesztése” projekttel kapcsolatosan, a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivataltól pályázaton nyert anyagi támogatásra építve alakult meg a HunQuTech kvantumtechnológiai konzorcium, több hazai kutatóhely és csúcstechnológiás vállalat részvételével. Az együttműködés vezetője az MTA Wigner Fizikai Központ, tagjai egy további akadémiai csoport, a BME, az ELTE intézetei, tanszékei, a BHE Bonn Hungary, az Ericsson Magyarország, a Femtonics és a Nokia Bell Labs.

Az alakuló ülésen a konzorcium elnöke, Domokos Péter (az MTA Wigner Fizikai Központ kutatója, 69. ábra) jól foglalta össze a lassan kitárulkozó kvantumvilág sajátosságait: „… a kvantummechanika az emberiség 20. századi csúcsteljesítménye, hiszen az 1920-as években olyan világot sikerült igazolniuk a kutatóknak, amihez nincs közvetlen hozzáférésünk, és ellentmond a józan ész és a hagyományos fizika törvényeinek”.

A továbbiakban a kvantuminformatika olyan területeivel foglalkozunk, ahol gyakorlati eredményekkel, prototípusként megvalósított, esetenként már a piacon beszerezhető termékként létrehozott kvantuminformatikai eszközökkel lehet találkozni. Ilyen találkozásokra elsősorban a kvantumtitkosítás (kvantumkriptográfia) és a kvantumszámítógépek (quantum computers) témakörökben lehet számítani. A kvantumkommunikációs eszközök és a kvantumszámítógépek kifejlesztésére irányuló kutatásoknak értékes melléktermékei is megjelentek, ezek közül a legismertebbek a kvantumos véletlenszám-generátorok. Érdekes lesz megfigyelni, hogy ezekben az eszközökben hogyan hasznosulnak a kvantummechanika alapvető jelenségei.

A kvantumtitkosítás megjelenése, lehetőségei Az egyre nagyobb távolságokon megvalósított kvantumteleportálás tehát csalódást okozott, hiszen ez a kvantumjelenség közvetlen adatátvitelre nem alkalmas, viszont sok egyéb célra igen jól felhasználható az informatika területén. A titkosítási technikák fejlesztésében például várhatóan igen nagy szerepe lesz. Különleges, hogy a kvantuminformatika fejlődése, mint látjuk majd, egyrészt a (hagyományos megoldású) titkosítás „halálát” jelenti, másrészt olyan új lehetőségeket is hordoz magában, melyekkel az óhajtott feltörhetetlen titkosítási megoldásokat el lehet érni.

A kvantummechanika jelenségeit kiaknázó információátvitelnek elsősorban az adatátvitel titkosításában van nagy jelentősége. A titkosítást ma kulcsokkal oldják meg, ezek teszik lehetővé az információ elrejtését, majd a fogadó félnél a visszaállítását. A titkosítás két megoldási lehetősége a szimmetrikus és az aszimmetrikus (nyilvános kulcsú) kódolás.

Jelenleg az aszimmetrikus kódolás (70. ábra) az elterjedtebb, számos, adatforgalmat bonyolító rendszer, hálózat ezt alkalmazza. A kódolás egy kódpáros felhasználásával valósul meg. A páros egyik tagja titkos, a másik nyilvános. Az üzenet elküldése előtt meg kell kapnunk a nyilvános kulcsot (ezt nem szükséges védett csatornán átküldeni), ezzel titkosítjuk az elküldendő információt. Ezt a kódolt anyagot már a nyilvános kulccsal nem, csak a megfelelő privát kulccsal lehet visszafejteni, ami a címzett birtokában van (itt jelenik meg a titkosítási eljárás aszimmetrikus jellege). A kódolás biztonságát szolgálja, hogy a visszafejtéshez szükséges privát kulcs végig az üzenet fogadójánál van, azt nem kell átküldeni a kommunikáció résztvevői között, így nem is lehet továbbítás közben lehallgatni. Az aszimmetrikus titkosítási rendszerben a címzettnél lévő szoftver generálja a privát kódot, majd abból állít elő partnerenként egy-egy nyilvános kulcsot, de visszafelé ez a dolog gyakorlatilag nem működik. A titkosított üzenet tehát kizárólag a privát kulccsal fejthető meg, amit az üzenet küldőjével nem kell megismertetni. Az aszimmetrikus titkosítási megoldások (DSA, RSA) azonban időigényesek, ezért nagy adattömegeknél problémás az alkalmazásuk.

Az üzenetek feltöréséhez szükséges privát kulcsot a nyilvános kulcsból csak rendkívül időigényes számítógépes módszerekkel lehet kiszámítani. (Legalábbis a mai számítógépek, illetve az azokkal azonos elven működő következő generációik számára a kódfeltörés igen hosszú időt igényel. Ez az időtartam több emberöltő is lehet, így a próbálkozásnak sincs semmi értelme. A kódok megfejtése ugyanis alapvetően igen nagy számok törzstényezőre bontásával valósítható meg. A kódfeltöréshez, úgy tűnik, elméleti jellegű úton, a matematikai módszerek fejlesztésével a későbbiekben sem lehet eljutni.) Ez a helyzet azonban rövidesen megváltozik, amint a kvantumszámítógépek (melyekkel a továbbiakban szintén foglalkozunk majd) üzembe állnak. A jelenlegi tudásunk szerint ugyanis a kvantumszámítógépek bizonyos feladattípusokat rendkívül rövid idő alatt meg tudnak oldani. Ezek közé a feladatok közé tartozik a törzstényezőkre bontás is. A kvantumszámítógépek üzembe állítását követően ez a titkosítási módszer emiatt feltörhető lesz, azaz értéktelenné, használhatatlanná válik. Az aszimmetrikus titkosítás diadalútja, úgy tűnik, a kvantuminformatika megjelenésével, a kvantumszámítógépek megépítésének lehetőségével véget ér.

A szimmetrikus titkosítási megoldás (71. ábra) esetében egy kulcs van, ami titkos. Ezt használják titkosításkor is és az eredeti tartalom visszafejtésekor is. Igen gyors algoritmusokat dolgoztak ki a szimmetrikus kódoláshoz (DES, AES, CAST, IDEA, MARS), amelyek akár a valós idejű titkosítást is lehetővé teszik. Csakhogy ennél a megoldásnál az üzenetváltás előtt a kulcsot el kell juttatni a felhasználóhoz. Annak érdekében, hogy a partnerek egymás üzeneteit ne tudják olvasni, mindenkinek más-más kulcsot kell küldeni. Ez a lépés, a kulcsszétosztás a szimmetrikus kódolás gyenge pontja, a kódfeltörők az elküldött kulcsokra vadásznak (pl. a kulcsküldésre használt csatornák megfigyelésével), s azok birtokában már az információhoz is hozzájutnak, hiszen a titkosított információt képesek visszafejteni.

Éppen a kulcsszétosztásban nyújthat hatékony megoldást a kvantumkommunikáció. Az adatátvitel tulajdonképpen hagyományos eszközökkel is megoldható (nyilvános, hagyományos csatornán át), csak a kulcsok továbbítására kell a kvantuminformatikát igénybe venni. A kvantumos kulcstovábbítás egyrészt rendkívül biztonságos, másrészt az esetleges lehallgatás esetén a kulcs azonnal tönkremegy, a rendszerbe behatoló idegen azt nem tudja felhasználni. Ugyanakkor a lehallgatás tényét a kulcsszétosztásban részt vevő partnerek azonnal érzékelik, így a megfelelő védelmi lépéseket meg tudják tenni. A kvantumalapú kulcsszétosztás (quantum key distribution) területén ezért igen nagy erőkkel folyik a fejlesztés: 2016-ra az optikai szálon történő kvantumalapú szétosztás legnagyobb távolsága 307 km volt, míg a vezeték nélküli megoldásban 144 km-es távolságot sikerült elérni.

Új fejezetet nyitott a kvantuminformatika fejlődéstörténetében a kínai tudósok által 2016 augusztusában alig több mint 500 km magasságba felbocsátott kvantumkommunikációs műhold, a Micius (72. ábra), amit korábban már röviden megemlítettünk. A viszonylag alacsony Föld körüli pálya teszi lehetővé, hogy földfelszíni pontok között a műhold akár kvantuminformációs reléállomásként működjön.

A műhold felbocsátása egy nemzetközi tudományos program (Quantum Experiments at Space Scale, rövidítve QUESS) része, melynek keretében Ausztriában – Grazban – épült meg egy vevőállomás. A műhold kommunikációs rendszere fotonokra, azaz fényre épül. Minden éjjel azonos útvonalon halad át Kína felett (az áthaladás időtartama mindössze 275 s), ekkor követik a földi állomások (a műhold haladási sebessége 8 km/s). Kína területén három követőállomás épült. A kommunikáció sikeréhez a rendszernek ki kell szűrnie a földi fényeket, az égbolt fényforrásait, valamint a légköri zavarokat. A kvantumkísérletek alatt másodpercenként 6 millió fotonpárost küld a műhold a Föld felé, s a kvantumkommunikáció nehézségeire jellemző módon ezekből többnyire 1 éri el a földi detektorokat. A későbbiekben nappali üzemmódra is alkalmas, magasabb pályán keringő műholdakkal kívánnak kísérletezni a QUESS kutatói.

A Micius műhold felhasználásával először egyetlen földi állomáshoz küldtek nyilvános kulcsot, majd több célpont között valósították meg a kulcsszétosztást, mindezt kvantuminformatikai megoldásokkal. 2017 szeptemberében titkosított videokonferenciát tartottak a műhold felhasználásával, kínai és osztrák helyszíneket bevonva, az áthidalt távolság ekkor 7600 km volt.

A műhold egyébként kvantummechanikai alapkísérletekre is alkalmas. A kínai kutatók 2017 nyarán a műholdon előállított összefonódott fotonpárost két, egymástól távoli földi állomásra küldték, és sikerült nekik az eddiginél nagyobb távolságokon is kiváltani a dokoherenciát, az időkésés nélküli vezérelt állapotváltozást. A Micius megépítésével és pályára állításával a vezeték nélküli kvantum-teleportáció hatótávolságát már 1400 kmre sikerült megnövelni.

A világ különböző pontjain dolgozó kvantuminformatikai kutatók és fejlesztők egy további közös terven is dolgoznak, ez a világot behálózó kvantumhálózat, a kvantuminternet. Annyit mindenképpen várnak ettől a hálózattól a szakemberek, hogy azon kvantumos megoldásokkal terjedhet az információ, az átviteli sebesség a jelenleginek sokszorosa lehet, a titkosítást pedig a kvantumos megoldások garantálják majd, de bizonyára ennél sokkal többet jelent majd a megvalósulása. A fizikai kivitel tekintetében az a legvalószínűbb, hogy alapvetően műholdakra épülő hálózatról lesz szó. Az EU szakemberei 2030–2035 körülire becsülik ennek a hálózatnak a használatbavételét. A jelenlegi elképzelések szerint majd szupertitkos információs kapcsolatok bonyolíthatók le ezen a kapcsolati rendszeren, úgymint banki tranzakciók, hitelesítő aláírások közvetítése. Teljes mértékben a kvantuminternet képességeit és lehetőségeit még körvonalazni sem lehet, miközben a fejlesztők már dolgoznak a kapcsolódási lehetőségeken, a jelenlegi és az új rendszer összehangolásán. Természetesen el kell fogadni, hogy bár a kvantumhálózat pontos működését, technikai jellegét ma még nem ismerjük, nem lehet arra várni, hogy az készen az emberiség ölébe hulljon. Ezért pl. a hazai HunQuTech konzorcium fejlesztési céljai között is szerepel a csatlakozást lehetővé tévő interfész megalkotása, majd az alakuló kvantuminternethez való kapcsolódás.

A kvantuminformatika sokak szerint egyelőre csupán elméleti tudomány, a gyakorlat csak apró lépésekkel halad előre. Ugyanakkor kisebb-nagyobb feladatok megoldására már piacra vihető készülékek prototípusai is elkészültek, sőt, egyes célberendezéseket már meg is lehet vásárolni. Ezekből az eredményekből mutatunk be néhányat a következőkben, majd a kvantumszámítógépek fejlesztésének helyzetét vizsgáljuk meg.

Forrás: Elektronet - 2019.03.20. (34,35,36,37. oldal)

Utolsó módosítás: 2019. március 20.
Visszajelzés
Hasznos volt az oldal információtartalma az Ön számára?