Obecnie światłowody są bezpieczne. Jednak będzie tak do czasu, aż powstanie komputer kwantowy i w kilka godzin odkoduje klucze szyfrujące, wykonując obliczenia, które teraz zajęłyby urządzeniom całe lata. Dlatego naukowcy już pracują nad przyszłymi formami szybkiego i bezpiecznego przesyłania danych. Gdyby światłowody nie zostały zawczasu zabezpieczone, w dobie komputerów kwantowych łatwo byłoby przejąć informacje bankowe, poznać transakcje giełdowe, przechwycić komunikację polityczną czy poufne rozkazy wojskowe.

„Biorąc pod uwagę że takie wrogie przejęcie danych może wyłączyć np. elektrownie i pozbawić nas podstawowych zasobów bytowych, całe państwo może czuć zagrożenie. Tym ważniejsze są zadania dla nas, naukowców rozwijających prace nad komunikacją kwantową” – mówi ppłk dr inż. Marek Życzkowski z Instytutu Optoelektroniki WAT.

Optoelektronicy wraz z chemikami z WAT zamierzają zabezpieczyć przepływ danych w światłowodach budując „generator stanów splątanych” oraz „narodowy mechanizm wymiany kwantowego klucza kodowego”. Aby zrozumieć, co dokładnie robią, należy zacząć od wyjaśnienia, że rozwiązaniem problemu jest komunikacja kwantowa. Matematycznie dowiedziono, że będzie ona możliwa. A jeśli ktoś nas podsłucha – urządzenia natychmiast to zauważą.

„Komunikacja kwantowa” będzie wykorzystywać kwanty światła, które posiadają bardzo szczególną właściwość – stan splątania. Splątanie sprawia, że każdy z pary fotonów zachowuje się identycznie, niezależnie od tego, jaka odległość je dzieli.

„Generator stanów splątanych umożliwi opracowanie takich fotonów. Hipotetycznie można wysłać jeden z pary splątanych fotonów na Księżyc, a drugi do sąsiada z osiedla. Jeżeli sąsiad zmieni stan fotonu, to foton na Księżycu zmieni swój stan w tym samym momencie – na identyczny. Jeżeli pierwszy stan uznamy za jedynkę, a drugi za bitowe zero, to możemy kluczować informację manipulując kolejnymi fotonami splątanymi” – tłumaczy ppłk Marek Życzkowski.

Bezpieczeństwo takiej transmisji opiera się na podstawowych prawach fizyki. Jeśli podsłuchujący odczyta stan fotonu odbiorcy, natychmiast zaburzy jego ustalony stan. Fakt takiej zmiany widzi natychmiast zarówno nadawca jak i odbiorca. Atak na kanał telekomunikacyjny można będzie wychwycić prostymi operacjami optycznymi.

Naukowcy na całym świecie pracują nad uzyskiwaniem par splątanych fotonów. Istnieją już pierwsze generatory stanów splątanych, ale bazują na trudnych w użytkowaniu technologiach. Wymagają bowiem chłodzenia do bardzo niskich temperatur i próżni do transportu fotonów. „Nasz generator będzie pracował w temperaturze pokojowej. Jednocześnie wygenerowaną parę fotonów splątanych będzie można wprowadzić do zwykłego światłowodu telekomunikacyjnego” – deklaruje szef zespołu naukowego z Instytutu Optoelektroniki.

Przełomowe technologie pozwolą zabezpieczyć wymianę danych w światłowodach, a także standardową komunikację, która będzie szyfrowana kluczem przekazywanym kwantowo. Jednorazowy kod będzie zbiorem o niepowtarzalnych i przypadkowych sekwencjach znaków.

Obecnie nad technologiami kwantowymi w zespole naukowym WAT pracuje około 20 osób a bezpośrednio w budowę generatora zaangażowanych jest 6 naukowców.

„Trudno sobie to wyobrazić, ale bawimy się pojedynczymi fotonami. Samo ich wygenerowanie jest już dużym wyzwaniem, a okiełznanie ich w wielokilometrowych odcinkach światłowodu i trafienie w poszczególnych momentach na właściwy foton  tak, aby dokonać jego modulacji celem przypisania lub określenia stanów bitowych 0 i 1, a potem zapewnić prawidłowy odbiór – to dosyć trudne wyzwanie. Ale udaje nam się to” – wylicza ppłk dr inż. Życzkowski. 

Na razie trudno powiedzieć, kiedy powstanie generator, który będzie można zastosować w praktyce.  Zdaniem eksperta, w perspektywie 10 lat pojawiają się urządzenia i technologie, których odbiorcą na początku będą państwa w tym specjalnie przeznaczone sieci niejawne na przykład wojskowe i finansowe, a w dalszej kolejności koncerny telekomunikacyjne, infrastruktura krytyczna czy urzędy.

Ppłk dr inż. Życzkowski przyznaje, że prace badawcze cechuje nieokreśloność, a przyspiesza je jedynie lepsze finansowanie. Podkreśla, że Europa otwiera obecnie duży system finansowania badań nad komunikacją kwantową i budową komputera kwantowego. Polska, w tym WAT, są w fazie pozyskania środków w ramach dużych projektów na dofinansowanie prac badawczych.

Pomijając sprawę telekomunikacji kwantowej, nadrzędnym planem naukowców – nie tylko w WAT, ale we wszystkich ośrodkach naukowych w kraju, jest opracowanie komputera kwantowego w zasobach polskich. Zdaniem eksperta, Polacy potrafią opracować urządzenia optoelektroniczne komputera kwantowego budowanego na potrzeby europejskie.

Poznanie możliwości, jakie niesie technologia komputera kwantowego, zdefiniuje dalsze prace nad  zabezpieczeniem torów telekomunikacyjnych w przyszłości. Obecnie zespół optoelektroników WAT, pracuje nad budową klucza wymiany kwantowej w światłowodach bez efektu splątania fotonów.

Naukowcy opracowali już własne urządzenia do generacji i wymiany kwantowego klucza kodowego i pracują nad ich udoskonaleniem. Pozwoli to zbudować narodową bezpieczną sieć telekomunikacyjną. Taka wymiana danych umożliwi zabezpieczenie przed atakami na światłowód.

Każdemu z nas potencjalnie grozi atak. Użytkownicy mogą mieć „zhakowaną” swoją emisję danych – o dowolnym charakterze, jaki przestępcy uznają za cenny. Idąc wyżej – na szczeblu instytucji pojawią się ogromne problemy z niejawną komunikacją, jeśli państwa nie zadbają o zabezpieczenie światłowodów.

Ppłk dr inż. Marek Życzkowski zwraca uwagę na brak jakichkolwiek norm, czy obostrzeń prawnych na zabezpieczenie transmisji. Większość użytkowników przekonana jest o bezwarunkowym bezpieczeństwie transmisji danych we włóknach światłowodowych. Wszak światłowód nie emituje przecież żadnej fali na zewnątrz, a przekaz jest szyfrowany. Jednak w przyszłości obecne kodowe klucze szyfrujące nie będą wystarczające.

Obecnie każdy może „podpiąć się” w dowolnym miejscu traktu światłowodowego odpowiednim urządzeniem odprowadzającym światło i bez wzbudzenia podejrzeń odbierać strumień zaszyfrowanych danych. Nie odczyta ich jednak, bo nie odkoduje kluczy szyfrujących. Teraz najlepszym klasycznym urządzeniom komputerowym takie obliczenia zajęłyby kilka, kilkanaście lat. Jednak na dzień dzisiejszy nie ma żadnych środków technicznych lub są nieliczne, które umożliwiałyby ochronę informacji biegnącej w światłowodach przed potencjalnym atakiem z użyciem komputerów kwantowych.

Karolina Duszczyk

fot. Marek Życzkowski