A szabadtéri összefonódás nyomában
(Rovat: Nyereség az országnak, Lássuk és halljuk egymást - 2022.08.28 07:15.)

A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem szakemberei az elmúlt hónapokban a szabadtéri kvantumkommunikáció területén végeztek különböző fejlesztéseket. Kutatásukat az ESA is támogatja.

A kvantumfizikai elveken működő kommunikációs rendszerekről már több cikkben foglalkoztunk itt az Űrvilágon, egy általános összefoglaló például a Kvantumkommunikációs műholdak a látóhatáron című cikkben olvasható, augusztus elején pedig a 2022-es kvantumkommunikációs kísérletekből válogattunk. Most a magyar tevékenységeket járjuk körbe.

A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen (BME) található Mobil Kommunikáció és Kvantumtechnológiák Laboratóriumban több mint két évtizede foglalkoznak kvantuminformatikai és kvantumkommunikációs kutatásokkal. A labor a BME Villamosmérnöki és Informatikai Karon (VIK) működő Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék egyik szervezeti egysége. Más tanszéki kollégákkal kiegészülve ők alkotják a VIK kvantumkommunikációs kutatócsoportját, a BME Természettudományi Karon található Fizikai Intézet tématerületen dolgozó kollégáival együtt pedig a Kvantuminformatikai Nemzeti Laboratórium műegyetemi kvantumkommunikációval foglalkozó csapatát. A Kvantuminformatikai Nemzeti Laboratórium egy hazai kutatási konzorcium a Wigner Fizikai Kutatóközpont vezetésével, a BME és az Eötvös Loránd Tudományegyetem (ELTE) aktív részvételével. A BME Mobil Kommunikáció és Kvantumtechnológiák Laboratórium vezetése mellett az országos Kvantuminformatikai Nemzeti Laboratórium szabadtéri kvantumkommunikációval foglalkozó tevékenységét is jelen cikk szerzője fogja össze.

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, és egy saját kvantumkommunikációs csatornamodellt fejlesztettünk ki, amelyről például az "On the way to quantum communication" című szakcikkben lehet olvasni.

Az elmúlt évek során jelentős figyelmet fordítottunk az összefonódáson alapuló műholdas kommunikációra. Napjainkban a kvantum alapú kulcsszétosztás (angolul Quantum Key Distribution, ebből jön a QKD rövidítés) területén 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.

Egy jelenleg is zajló, a Magyar Tudományos Akadémia Bolyai János kutatói ösztöndíja által támogatott kutatásban azt vizsgáljuk, hogyan fognak kinézni a jövő összefonódáson alapuló műholdas kvantumkommunikációs hálózatai, és milyen megoldások teszik majd lehetővé ezeken a gyors és biztonságos információáramlást. A jövőbeli műholdas hálózatokban kvantummemóriákat kell majd alkalmazni, és egy kritikus kérdés, hogy a kommunikációs csatornák zajai hogyan érintik ezen memóriák működését. Kapcsolódó vizsgálatainkat "Effects of selected noises on the quantum memory satellite based quantum repeaters" című szakcikkünkben foglaltuk össze. Az idei Nemzetközi Asztronautikai Kongresszus első napján pedig az egyetem egyik mesterszakos mérnök-informatikus hallgatója, Mihály András arról tart majd előadást, hogyan működik az útvonalválasztás (szakszóval routing) az ilyen jellegű hálózatokban.

Elméleti vizsgálatok mellett a Műegyetemen egy szabadtéri kvantum alapú kulcsszétosztó rendszer fejlesztésébe vágtunk bele. Nem csak szabadtéri (azaz free-space) átvitellel foglalkozunk, hanem vezetékes kapcsolatokkal is. Utóbbiban optikai szálon keresztül küldjük a kvantumbiteket a két kommunikáló fél között. Saját fejlesztésű eszközünkkel idén áprilisban az országban először demonstráltuk a technológia működőképességét, május végén pedig egy több mint 20 kilométeres hazai távolsági rekordot állítottunk fel. Hasonló elhívatottsággal dolgozunk a szabadtéri kulcscsere rendszerünkön is. A BME Fizikai Intézetének Atomfizika Tanszékén fejlesztett fotonforrás segítségével állítjuk elő azokat az összefonódott fotonokat, amelyeket távcsövek segítségével juttatunk el az egyik kommunikáló féltől a másikig (a területen használt általános megegyezés szerint Alice-től Bobig). Ehhez egy nagyon gyors jelfeldolgozásra van szükség, amelyben az 1991-ben alapított Relcom Kft. szakemberei vannak segítségünkre. Egy kapcsolódó közös kutatás-fejlesztési projektünket az Európai Űrügynökség (ESA) is támogatja.

Első lépésben még nem műholddal szeretnénk összefonódott fotonokat megosztani, elég nagy technológiai kihívást jelent mindezt a Duna két oldala között megtenni. Ekkor ugyanis a fotonok először szárazföld felett haladnak, majd egy folyó vízfelület felett, majd ismét szárazföld felett. A Duna feletti kísérletben partnerünk a Vodafone Magyarország, egy áprilisi tesztünkről az alábbi, a LinkedIn portálon megtekinthető kisfilm készült:

A cikk az Innovációs és Technológiai Minisztérium ÚNKP-21-5 kódszámú Új Nemzeti Kiválósági Programjának a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alapból finanszírozott szakmai támogatásával készült.

A cikk szerzőjét az űrkvantumkommunikáció területén végzett munkásságáért a Nemzetközi Asztronautikai Akadémia idén nyáron rendes tagjává választotta.