Kvantum alapú véletlenszámok a műholdakon
(Rovat: Lássuk és halljuk egymást - 2021.08.24 07:15.)

A kvantumtechnológia nem csak a biztonságos kulcscsere révén forradalmasíthatja napjaink biztonsági megoldásait, hanem az általa kínált véletlenszámok segítségével is.

A kvantumfizikai elveken működő kommunikációs rendszerekről egyre többet lehet hallani. Napjaink kérdése már 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, amelyek számára fontos a biztonság – ahogy erről a Kvantumkommunikációs műholdak a látóhatáron című cikkben is írtunk idén júliusban.

Míg a világ első kvantumkommunikációs műholdját, a 620 kg-os Miciust Kína bocsátotta fel, addig az első kvantumos kisműhold neve Szingapúrhoz kötődik. A SpooQy-1 műholdat 2019. június 17-én állították Föld körüli pályára a Nemzetközi Űrállomásról (a felbocsátás részleteiről itt lehet olvasni angolul). A műholdat ugyan Szingapúrból és Svájcból vezérlik, de kvantumos jeleket nem továbbít a földi vevőállomásoknak – szándékosan. A National University of Singapore, Centre for Quantum Technologies által épített 3U méretű (azaz 30 × 10 × 10 cm-es) kisműhold össztömege 2,6 kg, s a fedélzetén egy speciális fotonforrás található. Ennek a segítségével úgynevezett összefonódott fotonokat állítanak elő a Föld körül 400 kilométeres pályamagasságban keringő műholdon. Az összefonódás egy különleges kvantummechanikai jelenség, amely lehetővé teszi információ teleportálását, kulcsok biztonságos megoldását és a nem is olyan távoli jövőben kvantumszámítógépek összekapcsolását.

A SpooQy-1 pályára állítása a Nemzetközi Űrállomásról 2019-ben. (Forrás: NASA / CQT NUS).

A kínai Micius műholdtól eltérően ugyan a SpooQy-1 nem küldi el a létrehozott összefonódott fotonokat, mégis jelentős technológiai demonstráció ez a kisműhold. A felbocsátás óta eltelt időszak mérési eredményei ugyanis megerősítették, hogy a műhold fedélzetén lévő integrált fotonforrás megfelelően működik, és képes a világűrben a kvantummechanikai elveknek megfelelően működő összefonódott fotonok előállítására. Szingapúri–angol együttműködés keretében zajlik a következő küldetés előkészítése, amely során már a cél a műhold–föld kvantumkommunikáció. S nem ők az egyetlenek, akik ilyen kis méretben gondolkodnak, ráadásul a kvantum alapú kulcscserén kívül még további infokommunikációs alkalmazásokat is kínál a kvantumtechnológia.

Bár a véletlenről legtöbbször a lottósorsolás jut az eszünkbe, a legtöbb informatikai rendszerben az adatok titkosításához szükségünk van véletlenszámokra. Méghozzá olyanokra, amelyeket csak egyszer használunk fel. Egyszer használatos véletlenszámokat használunk a biztonságos kapcsolatok felépítésére weboldalak böngészése közben, Whatsapp üzenetváltáskor, banki tranzakciók jóváhagyásakor, digitális aláíráskor és még sok más esetben. A számítógépen futó programok többsége ugyanakkor csak álvéletlenszámokat (szakszóval pszeudo random) tud előállítani, amelyek nagy hátránya, hogy egy jól felszerelt támadó fel tudja törni az álvéletlenszámokon alapuló biztonsági rendszereket. Ha igazi véletlenszámokra (szakszóval true random) vágyunk, akkor fizikai rendszerekre van szükségünk – így kerül képbe a kvantumfizika, amely több különböző architektúrán működő, ún. kvantum alapú véletlenszám-generátort (angolul quantum random number generator, QRNG) kínál számunkra. Az optikai elven működő QRNG-k működésének az alapja, hogy egy fényforrás segítségével fotont állítanak elő, amelyet megmérve hozzájuthatunk a 0-k és 1-esek véletlen sorozatához.

Az integrált optikai áramköröknek köszönhetően ráadásul a QRNG-k mérete egyre csökken. 2020. május 15-én a Samsung bejelentette a világ első, QRNG chipet tartalmazó okostelefonjának kereskedelmi forgalmazását, amelyből idén tavasszal már megjelent a második generációs telefon is Samsung Galaxy Quantum 2 A néven. De nem csak a mobiltelefonok piaca az egyetlen, ahol a QRNG chipek megjelennek. A műhold–műhold és a műhold–földi állomás közötti kommunikáció titkosítására egyaránt szükség van jó minőségű véletlenszámokra. Nem véletlen, hogy tavaly április végén a brit Crypta Labs cég közölte, hogy kisműholdak számára szeretné átalakítani a QRNG megoldásait, és azóta egyre több cég jelentkezett be a „kvantum alapú véletlenszám-generátort a műholdra” versenybe.

A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszékén működő Mobil Kommunikáció és Kvantumtechnológiák Laboratóriumban aktívan foglalkozunk kvantum alapú véletlenszám-generátorok vizsgálatával. Egy nemrég indított kutatásunk arra koncentrál, hogy Föld körül keringő műhold fedélzetén elhelyezett kvantum alapú véletlenszám-generátorok (QRNG) milyen hozzáadott értéket tudnak nyújtani a jelenleg használt klasszikus kriptográfiai megoldásokhoz képest, és korlátozott erőforrások esetén milyen hatékonysággal tudjuk elvégezni azokat a valós idejű statisztikai teszteket, amelyekkel a véletlenforrás minőségét tudjuk biztosítani. A témakörben elért legfrissebb kutatási eredményeinkről reményeink szeptember végén a Magyar Űrkutatási Fórum 2021 konferencián, október végén pedig a Dubajban megrendezendő Nemzetközi Asztronautikai Kongresszuson (International Astronautical Congress) is be fogunk számolni. A témakör részletei iránt érdeklődőknek ajánlom a tavaly januárban az Infocommunications Journal folyóiratban „Real-time Processing System for a Quantum Random Number Generator” címmel megjelent publikációt (ingyenesen hozzáférhető itt), amely elkészítésében jelen sorok szerzője is közreműködött és amelyért idén májusban Solymos Balázs szerzőtársával elnyerte a folyóiratot kiadó Hírközlési és Informatikai Tudományos Egyesület (HTE) legjobb folyóiratcikkért járó Pollák–Virág-díját. 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.