Kvantumkommunikációs műholdak a látóhatáron
(Rovat: Lássuk és halljuk egymást - 2021.07.31 06:15.)

2016 nyarán Kína Föld körüli pályára állította a világ első kvantumkommunikációs műholdját. Az azóta eltelt öt évben mozgalmas előrelépések történtek a területen.

Az elmúlt időszak a digitalizáció erősödéséről szólt. Amúgy is ez a trend, de a koronavírus-járvány egyik hozadékaként hirtelen emberek százmilliói kezdtek távolról dolgozni, miközben a távmunka, a vállalati rendszerekhez való távoli hozzáférés számos biztonsági kérdést is felvetett. A kommunikációs csatornáinkat érdemes titkosítani, ezt sokan tudják is. A kritikus kérdés azonban nem (csak) az, hogy milyen titkosítási eljárásokat használunk, hanem az is, hogyan osztják meg az általunk használt rendszerek a titkosításhoz szükséges titkos kulcsot. Ez utóbbira számos protokoll kínálkozik, az utóbbi években azonban egyre inkább előtérbe kerül egy olyan megoldás, amelynek a biztonságát a fizika törvényei garantálják.

A kvantumfizikai alapokon nyugvó kulcscserének (angolul quantum key distribution, QKD) több protokollja is létezik, mindegyikben közös, hogy a kvantuminformáció továbbítására fotonokat használnak. A fotonok egyik jellemző tulajdonsága a polarizációs állapotuk, ebbe tudunk információt kódolni, és megfelelő detektorok segítségével bizonyos feltételek teljesülése mellett meg tudjuk mondani azt, hogy az adott foton milyen polarizációs állapotban volt.

A kvantum alapú kulcscsere során az angol ábécé első két betűje után Alice-nek és Bob-nak nevezett két kommunikáló félnek az a célja, hogy létrehozzanak egy olyan bitsorozatot, amelyet csak ők ismernek. Ez lesz az a titkos kulcs, amelyet utána felhasználnak valamilyen kriptográfiai algoritmushoz, hogy titkosítsák az üzeneteiket. Vagyis a kvantum alapú kulcscsere nem változtatja meg a teljes kommunikációs modellünket, csak azt mondja, hogy a titkosító kulcs cseréje történjen meg kvantumbitek felhasználásával optikai szálon vagy a szabad légkörön keresztül, utána a titkos kommunikáció többi lépése már a hagyományos, megszokott hálózatunkon keresztül tud történni. Továbbra is a megszokott rendszereinket és alkalmazásainkat használhatjuk, csak egy kiegészítésre van szükségünk. Ezért is mondjuk, hogy a kvantumkommunikációnak ezen ága nem kíván vetélytársa lenni más biztonsági megoldásoknak, hanem velük együttműködve magasabb szintre helyezi a biztonságot.

Napjainkban kvantumkommunikációs területen két különböző megközelítést használunk. Az egyikben előállítunk megadott polarizációjú fotonokat, majd optikai szálon vagy a szabadtéren átküldjük a fogadó félnek, aki megméri. Ez az úgynevezett előállít-és-megmér típusú protokoll. A másik nagy protokollcsaládban úgynevezett összefonódott fotonokat állítunk elő, felhasználva egy olyan kvantummechanikai jelenséget, amely még Einsteint is megdöbbentette. Az összefonódott fotonokat elküldjük a két kommunikáló félnek vezetéken vagy szabadtéren keresztül, akik megmérik azokat, az összefonódás jelen cikkben nem részletezett tulajdonságai pedig biztosítani fogják azt, hogy egyező mérési eredményeik lesznek.

A kvantumfizikai elveken alapuló kulcscsere elméletét 1984-ben publikálták, 1991-ben már el is végezték az első sikeres szabadtéri technológiai demonstrációt. A szabadtéri kísérletek azért fontosak, mert az optikai szál csillapítása miatt kvantumkulcscsere szempontjából a vezetékes összeköttetések hossza meglehetősen limitált. Ugyan a 2000-es évek első évtizedének vége felé úgy tűnt, egy európai kutatócsoport a SPACE-QUEST projekt keretében a Nemzetközi Űrállomás és egy földi vevőállomás között végre tudja hajtani a világ első sikeres űrbeli kvantumos kísérletét, de a projekt végül nem kapta meg a kellő finanszírozást. Európával szemben Kínában a pénzügyi támogatás kevésbé volt probléma, így ma már történelem, hogy magyar idő szerint 2016. augusztus 15-én Kína bocsátotta fel a világ első kvantumkommunikációs műholdját. (Erről és a kapcsolódó eredményekről az Űrvilág is beszámolt – a szerk.)

A világ első kvantumkommunikációs műholdját, a QUESS-t 2016. augusztus 15-én Csiucsüanból (Jiuquan) Hosszú Menetelés-2D hordozórakétával állították pályára. (Kép: Xinhua / Jin Liwang)

Napjaink kérdése így nem az, hogy működik-e a műholdas kvantumkommunikáció, hanem sokkal inkább az, hogyan lehet úgy skálázni a rendszert, hogy működő szolgáltatást tudjunk nyújtani olyan cégek és szervezetek számára, akik számára fontos a biztonság. Márpedig az elmúlt időszak különböző nagy adatszivárgási botrányai, a zsarolóvírusok által okozott különböző nagy leállások és a kifinomult kibertámadások is mind-mind azt jelzik, nagyon fontos a biztonság.

Számos ország indított nemzeti kvantumkommunikációs műhold létrehozására irányuló programot, a közel sem teljes listán olyan nevek szerepelnek Kína mellett mint az Amerikai Egyesült Államok, Egyesült Királyság, Japán, Kanada, Németország és Szingapúr. Európai szinten az Európai Űrügynökség (ESA) SAGA, EAGLE-1 és EAGLE-2 elnevezésű programokat tervez, míg az Európai Bizottság által 2019-ben kezdeményezett európai kvantumkommunikációs infrastruktúra megvalósításához idénre már 25 EU-tagállam csatlakozott – ennek a rendszernek is lesz kvantumkommunikációs űrszegmense, amely megvalósítására az ESA kapott megbízást.

Mind a két nagy protokollcsaláddal folynak kísérletek. Ha két földi állomás között szeretnénk kvantumkommunikációs műholddal kulcsot megosztani, akkor az előállít-és-megmér típusú protokoll esetén először létrehozunk egy kulcsot a műhold és az egyik földi állomás között, majd a műhold továbbhalad a pályáján, létrehozunk egy újabb kulcsot a műhold és a másik földi állomás között, aztán egy matematikai művelet segítségével a két kulcsot egyesítjük, amely így alkalmas lesz a két földi állomás között zajló adatforgalom titkosítására. A módszer kétségtelen előnye, hogy a műhold pályáján elhelyezkedő bármely két város között tudunk kulcsot cserélni, ugyanakkor a hátránya, hogy a műhold fedélzetén is meglesz mindkét kulcs. Azaz meg kell bíznunk a műhold gyártójában (mind hardver, mint szoftver tekintetében) és a műhold üzemeltetőjében. Ezt megbízható csomóponton alapuló rendszernek is nevezik egyébként. (Itt a megbízhatóság alatt nem a megbízhatóan helyes működést értjük, hanem azt, hogy a titkosnak hitt adat kiszivároghat-e illetéktelenekhez. Megbízunk a gyártóban és az üzemeltetőben, hogy ez nem történik meg.)

Ha ennél kritikusabban szemléljük a világot, akkor alkalmazhatunk nem megbízható csomóponton alapuló rendszereket, ilyet az összefonódáson alapuló protokollok kínálnak. A műhold fedélzetén előállítunk egy összefonódott fotonpárt, amelyet eljuttatunk a két földi állomáshoz. A műholdon nincs semmi titok, a kulcsot garantáltan csak a két földi állomás ismeri. A módszer hátránya azonban, hogy a műholdnak egyszerre kell látnia a két földi állomást. Ha alacsony Föld körüli pályán kering a műhold, akkor ezzel azért nem tudunk hatalmas távolságokat lefedni. Ellentétben, ha geostacionárius pályára helyezzük a műholdat, akkor azzal már kontinensnyi területet is lefedhetünk – cserébe az úthossz nő meg jelentősen a műhold és a földi állomás között, és a fotonok detektálása lesz hatalmas műszaki kihívás.

Mivel mind a két megoldásnak vannak előnyei és hátrányai is, ezért a tudományos közösség megosztott abban a kérdésben, hogy melyik a jobb. Nem véletlen, hogy az Európai Űrügynökség 2019 nyarán még azt jelentette be, hogy GEO pályára kerülő, összefonódáson alapuló kvantumkommunikácós műholdat épít a SAGA-program keretében, de mára már LEO pályán keringő, előállít-és-megmér programja is van EAGLE-1 néven.

Magyarországon több mint 15 éve foglalkozunk a műholdas kvantumkommunikáció megvalósíthatósági kérdéseinek kutatásával. Eleinte azt vizsgáltuk elméleti számításokkal és szimulációkkal, hogy milyen paraméterek befolyásolják a szabadtéri optikai átvitelt egy Föld körül keringő műhold és egy földi állomás között. Ezeket a vizsgálatokat nemrégiben kiterjesztettük LEO-pályán keringő kvantumkommunikációs műholdflottákon alapuló rendszerek vizsgálatára – ilyen konstellációk még nem léteznek, de ahhoz, hogy valós idejű szolgáltatást lehessen nyújtani, vagy geostacionárius pályán lévő műholdra lesz szükség, vagy LEO pályán keringő műholdflottára. Sőt, elméleti vizsgálatokon túlmenően a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Karán belevágtunk az első hazai szabadtéri kvantumkulcsszétosztó rendszer építésébe. Összefonódáson alapuló rendszerünk fejlesztését ugyan a COVID-19 járvány jelentősen nehezítette, de bízunk abban, hogy hamarosan sikeres demonstrációt tudunk majd végre hajtani a Duna két partja között, és a jövőben az Európai Unió és az Európai Űrügynökség közös műholdas kvantumkomunikációs programjaihoz is csatlakozhatunk.

A fentiekben a szakmai mélységek érintése nélkül jártuk körbe a kvantumkulcscsere izgalmas világát. A témakör részletei iránt érdeklődőknek ajánlom az idén júniusban az Experimental Astronomy folyóiratban megjelent Quantum technologies in space című publikációt (ingyenesen hozzáférhető itt), amely elkészítésében jelen sorok szerzője is közreműködött. A hazai sokrétű – nem csak űrkutatáshoz – kapcsolódó kvantumtechnológiai és kvantumkommunikációs tevékenységről pedig a tavaly ősszel indult Kvantuminformatikai Nemzeti Labor honlapján lehet további információkat találni.

A cikk az Innovációs és Technológiai Minisztérium ÚNKP-20-5 kódszámú Új Nemzeti Kiválósági Programjának a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alapból finanszírozott szakmai támogatásával készült.