Lézerjelekkel a műholdak között

Napjainkban a műholdakkal rádióhullámok segítségével lépünk kapcsolatba. Azonban folynak olyan kutatások, amelyek a rádiójeles kapcsolatok helyett a lézer alapú kommunikációt vizsgálják.

Az 1980-as évek közepétől végeznek a világ számos pontján olyan kutatásokat, amelyben a kvantummechanikát és az informatikát próbálják közös nevezőre hozni. Habár a kvantumszámítógépek csak a távoli jövő eszközei lesznek, már léteznek algoritmusok olyan problémák megoldására, amelyek a hagyományos számítógéppel nehezen kezelhetők. Ráadásul ezek a megoldások nem csak papírokon találhatóak meg, hanem a hétköznapi megvalósításba is kezdenek átkerülni. A műholdas kommunikáció során hatalmas információigény lép fel, ezért érdemes megvizsgálni, hogyan tudnánk használni kvantummechanikai alapelveken működő kvantuminformatikai algoritmusokat ezekben a kommunikációs folyamatokban.

Mivel nyújtanak többet a kvantumalapú eszközök, mint a klasszikus informatika által kínált lehetőségek? A kvantumpárhuzamosság elvének kihasználásával könnyen elvégezhetjük a nagy számításigényű műveleteket, például meghatározhatjuk egy szám osztóit, amely fontos lépés a jelenleg használt titkosítási eljárások feltörésében. A klasszikus módszereknél hatékonyabban tudunk adatbázisban keresni, különböző kvantumkapukat és kvantumáramköröket építhetünk. Az összefonódás rejtélyes jelenségét kihasználva képesek vagyunk információt teleportálni a kvantumteleportiációs protokoll segítségével. A Charles Bennett által 1993-ban leírt ötlet működését 1997-ben kísérletileg is igazolták, 2010-ben pedig már szabad légkörben 16 kilométeres távolságot hidaltak át vele kínai kutatók.

A kép illusztráció

A szép számú laboratóriumi kísérleti eredmények ellenére a kvantuminformatika elmélete nagyon sok területen jóval előrébb tart, mint a tényleges implementációk, ugyanakkor biztonsági oldalon már kulcsrakész kereskedelmi termékek kaphatóak, elsősorban a kvantum alapú kulcscsere területén. A kommunikáció titkosítása során alkalmazott szimmetrikus kulcsú módszer esetében mind az üzenet feladója, mind a címzettje ugyanazzal a kóddal fedi el információját illetéktelenek elől. A módszer alkalmazásának fő problémáját az jelenti, hogy a kommunikálni kívánó felek milyen módon osztják meg egymás között biztonságosan magát a kulcsot. Amennyiben a kulcs az érintett feleken kívül más birtokába is kerül, úgy utána az illetéktelen hozzáférhet a teljes kommunikációhoz. Ebben a megosztásban jelent segítséget a kvantum alapú kulcsszétosztás. A folyamat során a lézerfényt alkotó fotonokat hívjuk segítségül, ezekbe kódoljuk bele a közös kulcs alapját képező bitsorozatot, majd üvegkábelen eljuttatjuk a fogadó félhez. Ha megfelelően alkalmazzuk a kvantuminformatika szabályait, akkor a kvantuminformáció küldése során a támadó – azaz a kvantum információt a címzett előtt kiolvasó eszköz – bizonyítottan képtelen az eredeti üzenetet hiba nélkül reprodukálni, a támadási kísérlet azonban a kommunikáló felek számára egyszerű ellenőrző metódusokkal felismerhető. A kvantumfolyamat során megosztott kulcsot a továbbiak során hagyományos titkosítási eljárásokban tudjuk felhasználni.

A Bennett és Brassard által 1984-ben publikált BB84 algoritmus biztonságos módon valósítja meg két kommunikáló fél között a kulcscserét, és ha egy illetéktelen támadó megpróbálná lehallgatni a kommunikációt, a két fél értesül róla. A BB84 protokollt továbbiak követték, például a Bennett által 1992-ben közölt B92, az összefonódást is felhasználó E91 vagy a 2009-ben megszületett S09. A jelenlegi, kereskedelmi forgalomban is kulcsszétosztó termékeknek azonban van egy nagy hátrányuk: a kvantumbiteket a foton polarizációs állapotaiba kódolják, és a kommunikációhoz optikai szálat használnak. Ez azt jelenti, hogy ha megvesszük a szükséges eszközöket, be kell szerezni pár tíz kilométernyi optikai szálat is, amellyel összekötjük a két gépet. Jelismétlőt és jelerősítőt ráadásul nem lehet elhelyezni, hiszen ismeretlen kvantumbiteket nem tudunk másolni (ezáltal erősíteni). A kutatók érdeklődése így már elég korán a szabadlégköri csatornák felé fordult. Az első szabadtéri kvantum alapú kulcsszétosztást 1991-ben hajtották végre Bennett vezetésével 30 centiméteres távon. 1998-ban egy amerikai kutatócsoport elérte az 1 km-es távolságot, 2002-ben pedig a 10 kilométert. 2006-ban egy nemzetközi kutatócsoport a Kanári-szigeteken 144 kilométeres távon demonstrálta a szabadtéri kulcscsere létjogosultságát. Ezek a növekvő távolságok azt mutatják, lehetőségünk lesz kilépni a technikával a világűrbe, és akár műhold-műhold, akár Föld-űr kommunikációban alkalmazni. 2008-ban az Európai Űrügynökség a következő évek egyik legfontosabb áttörésének jelölte meg a kvantum alapú űrkommunikáció sikeres megvalósítását.

A terület vizsgálatában külföldi szakemberek mellett többek között a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem valamint a Nyugat-magyarországi Egyetem kutatói is részt vesznek. Egy idén indult kutatásban egy olyan komplex kommunikációs modellen végeznek el – szimulációs - vizsgálatokat, amelyek a gyakorlati kvantum alapú műholdas megoldások megvalósíthatóságának korlátjait vizsgálják (pontosan milyen kommunikációs költségekkel jár a kvantum-kulcscserén alapú kommunikáció, hogyan változik a teljes rendszer hibázása különböző fizikai paraméterek függvényében). A kutatás legújabb eredményeit "Overview of a Space Based Quantum Key Distribution Network" címmel mutatják be a szerzők a szeptember végén Kanadában megrendezésre kerülő Nemzetközi Világűrkongresszuson.

Bacsárdi László

A szerző kutatása a TÁMOP 4.2.4.A/2-11-1-2012-0001 Nemzeti Kiválóság Program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.