Komunikacja oparta na zasadach mechaniki kwantowej, wykorzystująca właściwości cząstek subatomowych, jest obecnie uważana za najbezpieczniejszy sposób przekazywania informacji, odporny nawet na ataki ze strony coraz bardziej zaawansowanych komputerów kwantowych. W przyszłości ma znaleźć zastosowanie we wszystkich dziedzinach, które bazują na danych i ich poufności, jak np. bankowość, obronność i administracja publiczna. Nad rozwinięciem tej technologii pracuje Europejska Agencja Kosmiczna, a w realizowanym przez nią międzynarodowym projekcie uczestniczą też polskie podmioty, które mają w tym obszarze unikalne kompetencje. – To projekt trudny, o dużym stopniu złożoności, o czym najlepiej świadczy fakt, że tego typu rozwiązań obecnie nie ma jeszcze na europejskim rynku – mówi Michał Drogosz, prezes AROBS Polska.
– Satelitarna komunikacja kwantowa – czy inaczej satelitarna dystrybucja klucza kwantowego – zdecydowanie różni się od obecnie znanych i wykorzystywanych metod komunikacji. Przede wszystkim ona nie służy do przesyłania samej informacji. Komunikacja kwantowa jest wykorzystywana do przesyłania klucza kwantowego, którego następnie używa się do szyfrowania informacji przesyłanych już innymi, konwencjonalnymi drogami, czyli komunikacją radiową bądź optyczną. Mówimy więc o zapewnieniu niemal idealnie bezpiecznego szyfrowania informacji – tłumaczy w rozmowie z agencją Newseria Biznes Michał Drogosz.
Bezpieczne przekazywanie informacji jest kluczowe w coraz bardziej scyfryzowanym świecie. Obecnie do ich szyfrowania używa się protokołów dystrybucji kluczy szyfrujących opartych na złożoności obliczeniowej funkcji matematycznych i bardzo trudnych do rozkodowania za pomocą tradycyjnych komputerów. W efekcie podsłuchujący, nawet w razie przechwycenia informacji, nie ma praktycznej możliwości jej odczytania. Jednak to niedługo może się zmienić, ponieważ rozwój wysoce zaawansowanych komputerów kwantowych zagraża obecnym protokołom bezpiecznej komunikacji. I właśnie na ten problem odpowiada komunikacja kwantowa – nowa forma kryptografii oparta na zasadach mechaniki kwantowej.
– Trudno wyobrazić sobie bez niej przyszłość komunikacji – mówi prezes AROBS Polska. – W tej chwili wiele się mówi o komputerach kwantowych, o ich zaletach i potencjalnych zastosowaniach do rozwiązania problemów stojących ogólnie przed ludzkością. Natomiast często pomija się zagrożenia, które płyną z ich użytkowania. Tutaj mówimy właśnie o wykorzystywaniu ich do łamania obecnie stosowanych metod szyfrowania. Komputery kwantowe będą miały bardzo dużą łatwość w łamaniu obecnie stosowanych zabezpieczeń. Aby zniwelować to niebezpieczeństwo – czyli zapewnić, że nasza wiadomość nie zostanie rozszyfrowana przez taki komputer – możemy wykorzystać właśnie szyfrowanie z wykorzystaniem splątanych par fotonów. Obecnie jest to jedyna znana metoda, która w stu procentach zabezpiecza nas przed niebezpieczeństwem płynącym z rozwoju komputerów kwantowych.
Komunikacja kwantowa (albo inaczej QKD – kwantowa dystrybucja klucza), w dużym uproszczeniu, wykorzystuje zjawisko splątania kwantowego w odniesieniu do pary fotonów. Takie cząstki są ze sobą ściśle powiązane, nawet gdy dzieli je znaczna odległość. Jeżeli stan jednego z nich się zmieni, wpłynie to również na drugi. To powoduje, że śledzenie, podsłuch czy podgląd takiego przekazu jest praktycznie niemożliwy, a jeśli ktoś spróbuje to zrobić, zostawi po sobie wyraźne ślady. Jedna z zasad mechaniki kwantowej mówi, że nie można dokonać pomiaru stanu kwantowego bez jego zakłócenia.
– Generowanie splątanych par fotonów jest zjawiskiem fizycznym i całkowicie losowym. To oznacza, że komunikacja kwantowa – w odróżnieniu od innych zabezpieczeń – nie jest oparta na algorytmach. A druga, bardzo istotna kwestia jest taka, że przy splątaniu fotonów i dystrybucji klucza kwantowego nie ma możliwości jego podsłuchania. W momencie gdy jeden z odbiorców byłby podsłuchany albo informacja zostałaby przechwycona, wówczas druga część klucza również zmieniłaby się i przez to ten klucz straciłby ważność – tłumaczy Michał Drogosz.
Komunikacja kwantowa jest jednak nie tylko bezpieczniejsza, ale i trudniejsza niż inne jej metody. Realizacja tej koncepcji wymaga m.in. opracowania metod efektywnego generowania par splątanych fotonów i ich dystrybucji na większe odległości.
– Europejska Agencja Kosmiczna realizuje obecnie program SAGA (Security And cryptoGrAphic mission), w ramach których opracowuje cały łańcuch dystrybucji klucza kwantowego, mający zapewnić Europie dostęp do tej technologii. Ten projekt wymaga jeszcze wielu badań i czasu na dopracowanie. Wiele elementów składowych tej technologii już działa, ale na razie tylko w środowisku laboratoryjnym. Bardzo dużym wyzwaniem, przed którym stoi ESA, jest natomiast zapewnienie operacyjnego systemu. Myślę, że powinno to być gotowe około 2028–2030 roku – mówi ekspert.
Jedną ze składowych programu ESA jest projekt pod nazwą „Quantum Key Distribution High-Rate Detector Predevelopment”. Jego celem jest zaprojektowanie, wykonanie i przetestowanie prototypu detektora pojedynczych fotonów o wysokiej efektywności kwantowej (powyżej 90 proc.) i dużej częstotliwości detekcji (powyżej 2 GHz). Liderem międzynarodowego konsorcjum, które pracuje nad jego realizacją, jest AROBS Polska, firma specjalizująca się w rozwoju systemów elektronicznych i oprogramowania na potrzeby sektora kosmicznego.
– Quantum Key Distribution High-Ray Detector to urządzenie, którego celem jest odbiór i detekcja pojedynczych fotonów przesyłanych z satelity na Ziemię w celu dystrybucji kwantowego klucza szyfrującego – wyjaśnia Michał Drogosz. – Przesyłanie tego klucza na Ziemi jest utrudnione – jest to sygnał optyczny, który można przesyłać światłowodem, ale on zanika i mniej więcej na odległości 100 km wartość tego klucza jest już znikoma, ten sygnał właściwie już jest nieużyteczny. Natomiast jeśli taki klucz kwantowy będzie dystrybuowany przez satelitę, to będzie wymagał urządzenia odbiorczego, które jest w pewnym sensie teleskopem.
W projekcie realizowanym dla ESA polska spółka odpowiada za dostarczenie elektroniki odczytującej sygnały z detektora pojedynczych fotonów, będącego częścią optycznej stacji naziemnej. Dodatkowo firma odpowiedzialna jest też za wytworzenie oprogramowania wbudowanego, niezbędnego do obsługi całego systemu.
– Obecnie jesteśmy w fazie projektowania rozwiązania i nasz projekt zakończy się w 2025 roku. Natomiast jest to jeden z wielu elementów potrzebnych do satelitarnej dystrybucji klucza kwantowego – mówi prezes AROBS Polska. – Trzeba przyznać, że jest to projekt trudny, o dużym stopniu złożoności, o czym najlepiej świadczy fakt, że tego typu rozwiązań obecnie nie ma jeszcze na europejskim rynku.
We współpracę zaangażowane są również zespoły z Politechniki Mediolańskiej i Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Włosi projektują i wytwarzają detektory stanowiące serce układu, a grupa badawcza z UMK jest odpowiedzialna za opracowanie torów optycznych i przeprowadzenie pełnego testu odbiornika. Całkowita wartość projektu to 800 tys. euro, a zakładany czas realizacji wynosi 24 miesiące.
Technologia rozwijana przez ESA (obecnie pracują nad nią też m.in. Chiny, które też mają już na tym polu pierwsze sukcesy) w przyszłości ma znaleźć zastosowanie w wielu branżach, zwłaszcza tych, które są oparte na danych i potrzebie zagwarantowania ich poufności, jak np. bankowość i finanse, medycyna czy obronność i administracja rządowa.
– Tego typu szyfrowanie będzie użyteczne przede wszystkim w odniesieniu do poufnych danych, które mają długi termin przydatności – mówi Michał Drogosz. – Odbiorcą tego rozwiązania będą w pierwszej kolejności instytucje lub duże firmy, na przykład banki, które będą wykorzystywały ten rodzaj szyfrowania choćby do przechowywanie bardzo istotnych informacji czy przesyłania ich pomiędzy oddziałami.
