Krepitev virov za kvantni internet

07.04.2022

Nemška raziskovalna organizacija Fraunhofer-Gesellschaft in nizozemski raziskovalni center QuTech, v katerem sodelujeta TU Delft in Nizozemska organizacija za uporabne znanstvene raziskave TNO, združujeta moči na področju kvantne komunikacije in kvantnih informacijskih omrežij. Skupaj se postavljata kot vodilni organizaciji za razvoj in prenos kvantnih tehnologij, da bi okrepili inovativno moč Evrope in utrli pot kvantnemu internetu. Cilj partnerjev je začeti in spodbujati širše znanstveno sodelovanje, uvajati nove prototipe in testna okolja ter bolje izkoristiti skupno znanje in izkušnje na področju aplikativno usmerjenih raziskav in prenosa v industrijo. Dvonacionalno partnerstvo je uvod v vseevropsko sodelovanje.

»Da bi zagotovili zanesljivo in varno komunikacijo ter okrepili evropsko suverenost na področju novih kvantnih tehnologij, smo zavezani cilju vzpostavitve večnacionalnega kvantnega omrežja v EU,« je dejal Paul de Krom, generalni direktor TNO. Omrežje bo na voljo industriji in znanosti kot testno okolje za razvoj novih izdelkov in aplikacij ter za sprostitev celotnega potenciala porazdeljenega kvantnega računalništva. V ta namen bodo udeleženci skupaj vzpostavili tehnološke standarde in standarde vmesnikov na področju kvantnih komunikacij in kvantnih informacijskih omrežij ter usklajeno prispevali k oblikovanju evropske agende na teh področjih.

Fraunhofer in QuTech skupaj krepita in razvijata nove tehnologije za kvantne komunikacije in kvantna informacijska omrežja. Fotografija prikazuje laboratorijski prototip kvantnega frekvenčnega pretvornika z nizkim šumom.Foto: Fraunhofer ILT, Aachen

Eni izmed vodilnih svetovnih raziskovalnih centrov na področju kvantnega računalništva in kvantnega interneta QuTech in Fraunhoferjeva organizacija sta se na primer dogovorila, da bosta sodelovala pri uvajanju kompleksnih omrežij kvantne distribucije ključev (QKD) prek meja ali okoli vozlišč v Nemčiji in na Nizozemskem. Sodelovala bosta tudi pri razvoju integriranih fotonskih rešitev za takšna omrežja. Inženirji podjetja QuTech lahko z uporabo kvantne distribucije ključev, ki je neodvisna od merilnih naprav (MDI), zagotovijo nedotakljivo komunikacijo, ki je stroškovno prilagodljiva številnim uporabnikom. Pomembna stranska značilnost je, da po zaslugi podjetja Cisco vzporedno deluje tudi konvencionalni internet, in sicer po istem optičnem vlaknu nizozemskega telekomunikacijskega ponudnika KPN. MDI-QKD je pomemben korak k dostopnemu kvantnemu internetu. Joshua Slater, vodja skupine projekta MDI-QKD, pojasnjuje: »Pomembne konvencionalne kriptografske metode temeljijo na primer na javnem in zasebnem ključu. Ta dva ključa sta v bistvu dve veliki števili, ki spadata skupaj. Njihova varnost temelji na dejstvu, da je zasebni ključ težko in počasi izračunati, če poznamo le javni ključ. Žal pa z uvedbo zelo zmogljivih računalnikov, kot so kvantni računalniki, izračun zasebnega ključa postane trivialno enostaven in takrat lahko šifriranje postane nezanesljivo.«

Trenutno varna komunikacija temelji na dejstvu, da je razbijanje kriptografije z uporabo običajnih računalnikov počasno. To vključuje komunikacijo med podatkovnimi centri, medvladno komunikacijo ali kritično infrastrukturo, kot so bančništvo, energetika in letališča. Nekatere komunikacijske linije zahtevajo tajnost na podlagi zakona ali uporabnika. Vsak napadalec lahko ta sporočila snema in jih pozneje dešifrira. Na žalost so računalniki vedno hitrejši, s skorajšnjo uvedbo kvantnih računalnikov pa še hitrejši.

Kvantna distribucija ključev (QKD), neodvisna od meritev in naprav (MDI), lahko zagotovi neprilagojeno komunikacijo, ki je stroškovno prilagodljiva številnim uporabnikom, medtem ko običajni internet deluje vzporedno. Zaradi sistema, neodvisnega od merilne naprave, je celotno omrežje precej enostavno razširiti na več uporabnikov. Foto: QuTec

Rešitev za prisluškovanje, zdaj in v prihodnosti, je uporaba kvantne distribucije ključev. Pri kvantni komunikaciji prisluškovanje sporočilu moti prenos kvantnega ključa. Slater je poudaril, da če so kvantni signali moteni, uporabniki vedo, da ustvarjenega ključa ne smejo uporabiti za svojo varno komunikacijsko linijo. »Ko je kvantni ključ uspešno posredovan predvidenemu prejemniku, ima preostala varna komunikacija koristi od 'posredne tajnosti': zagotovila, da distribucije ključa ni mogoče razbiti zdaj ali v prihodnosti.« Ob tem je dodal, da je sedanje komercialno dostopne sisteme QKD težko razširiti v omrežje. »Da bi rešili vse te težave, smo zgradili sistem QKD, ki je neodvisen od merilne naprave in v katerem je lahko več uporabnikov povezanih prek osrednjega vozlišča, ki deluje kot tipičen operater telefonske centrale. Pomembno je, da osrednjemu vozlišču ni treba zaupati. Celoten sistem je zasnovan tako, da hekerski napadi na osrednje vozlišče ne morejo porušiti varnosti protokola.«

Združevanje iznajditeljskega in podjetniškega duha tlakuje pot v vseevropsko kvantno omrežje

»Da bi postali vodilni na svetu pri uvajanju in uporabi novih kvantnih tehnologij ter ostali konkurenčni tržnima velesilama ZDA in Kitajski, so potrebna ogromna skupna nadnacionalna prizadevanja evropske znanosti, industrije in družbe,« je prepričan profesor Reimund Neugebauer, predsednik Fraunhofer-Gesellschaft. Bližnja prihodnost prinaša številne izzive in priložnosti za sodelovanje. Pričakujemo lahko na primer nadaljnje razpise za evropske kvantne komunikacijske infrastrukture v čezmejnih kvantnih omrežjih, ki bodo okrepili vodilno vlogo in suverenost Evrope na področju teh pomembnih tehnologij. »Te infrastrukture sodelovanja zahtevajo čezmejno strategijo med vodilnimi državami in akterji za razvoj različnih tehnologij ter jasno razumevanje različnih stališč, vlog in interesov,« je dodal dr. Kees Eijkel, direktor poslovnega razvoja pri podjetju QuTech.

Prenos kvantnih informacij na velike razdalje s steklenimi vlakni in utiranje poti za kvantni internet. S tem namenom sta nizozemski raziskovalni center QuTech in Fraunhoferjev inštitut za lasersko tehnologijo ILT v začetku septembra 2019 začela izvajati projekt ICON QFC-4-1QID. Projektni partnerji razvijajo tehnologije, s katerimi je mogoče valovno dolžino ali frekvenco posameznih fotonov posebej spremeniti, ne da bi pri tem poslabšali kvantne informacije. Njihov cilj je nato prenašati fotone po steklenih vlaknih z majhnimi izgubami in povezati kubite – najmanjše računalniške enote kvantnega računalnika – na dolge razdalje.

V tem dolgoročnem strateškem partnerstvu med raziskovalnima ustanovama bodo znanstveniki razvijali kvantne frekvenčne pretvornike, ki bodo kvantne procesorje povezali z optičnimi omrežji. Nova tehnologija bo leta 2022 uporabljena v prvem demonstratorju kvantnega interneta na svetu.

»ICON – Mednarodno sodelovanje in mreženje« je interni program financiranja, ki ga je uvedla raziskovalna organizacija Fraunhofer-Gesellschaft, da bi združila vrhunske mednarodne raziskovalce in omogočila sodelovanje z odličnimi tujimi raziskovalnimi ustanovami na podlagi projektov. Prva faza projekta bo trajala tri leta in obsega skupne raziskovalne dejavnosti v skupni vrednosti približno 2,5 milijona evrov.

Fraunhoferjev inštitut za lasersko tehnologijo ILT in QuTech od leta 2019 tesno sodelujeta v okviru projekta ICON, Fraunhoferjevega programa za sodelovanje z odličnimi mednarodnimi partnerji, pri razvoju optičnih komponent za kvantno komunikacijo in informacije. Prednosti plodnega sodelovanja se že kažejo v arhitekturi kvantnega frekvenčnega pretvornika (QFC), ki jo je nedavno predstavil Fraunhofer ILT, z rekordno zmogljivostjo v smislu nizkega šuma in izboljšanega razmerja med signalom in šumom.

Z memorandumom o soglasju se bo prejšnji sporazum o sodelovanju zdaj razširil in postavil na širšo podlago s celotnim strokovnim znanjem Fraunhofer-Gesellschaft. Poleg tega nameravata obe strani namestiti prvo nemško kvantno vozlišče nadnacionalnega kvantnega omrežja v Fraunhofer ILT kot razširitev in testno okolje ter kot odskočno desko za evropski pristop h kvantnemu internetu, ki temelji na prepletanju. Osnova za to bosta tehnologija QuTech in tehnologija Fraunhofer ILT QFC. Prof. Constantin Häfner, direktor Fraunhofer ILT, je sklenil: »Tesno meddržavno sodelovanje je bistven gradnik za skupni razvoj inovacijskega ekosistema za kvantne tehnologije, za prenos tehnologij in – v sodelovanju z Univerzo RWTH Aachen – za prenos talentov v industrijo, da bi okrepili evropsko konkurenčnost na svetovnih trgih.«

Avtor: Jernej Kovač