BB84 protokollon alapuló kvantumkulcsszétosztás demonstrálása száloptikás rendszeren

A napjainkban széles körben elterjedt titkosító eljárások (pl. RSA) és digitális aláírásokat lehetővé tevő protokollok (pl. DSA, ECDSA) életünk szerves részét képezik, melyek nélkül nem tudhatnánk biztonságban pénzügyeinket és adatainkat, cégek, szolgáltatók és szervezetek komplett működése kerülhetne veszélybe és országok válhatnának kiszolgáltatottá egymásnak és bűnszervezeteknek egyaránt. A kvantumforradalomnak nyugodt szívvel nevezhető időszak során korunkba olyan technológiák alapjait dolgozták ki a kutatók, amelyekkel a fent említett felvetések realitássá válhatnak.

A közelmúltban kifejlesztett kvantumszámítógépek – melyeknek hatalmas mérete, gyenge számítási kapacitása és integrálhatóságának hiánya egyelőre komoly hátráltató tényező a kvantumszámítástechnika terén – óriási gyakorlati jelentőséggel rendelkeznek. Peter Shor amerikai matematikus ugyanis 1994-ben egy olyan kvantumszámítógépekre tervezett algoritmust fedezett fel, melynek segítségével polinomiális időn belül elvégezhető egész számok faktorizálása – s ezzel egyúttal feltörhetővé válnak napjaink népszerű nyílt kulcsú titkosításai. 2019 októberében a Google bejelentette, hogy elérték a kvantumfölényt, aminek során az általuk működtetett kvantumszámítógépnek sikerült felülmúlnia egy szuperszámítógép teljesítményét egy adott, bonyolult számítási feladat során. Ahhoz azonban, hogy veszélybe kerüljenek klasszikus módon védett anyagi és szellemi értékeink, lényegesen növelni kell a mai kvantumszámítógépek számítási kapacitását és jelentősen javítani a működésük során bekövetkező hibaarányon is – ennek időskáláját fél tucat évtől évtizedekig jósolják.

Szerencsére már most is számtalan megoldás jött létre a kvantumos éra vívmányaiként a jövő kiber-és kommunikációbiztonsága érdekében. A kvantummechanika törvényei matematikai szabályok és eljárások helyett olyan kvantumprotokollok alkalmazását teszik lehetővé, melyek biztonsága fizikai alapokon nyugszik. Már több évtizede kísérleteznek különböző vezetékes és vezeték nélküli kvantum alapú kulcsszétosztó protokollok (quantum key distribution, QKD) megalkotásán és implementálásán, kvantum linkek és hálózatok megépítésén és a kvantumprotokollok valódi kommunikációs rendszerekbe történő integrálásán. Nem titkolt célul van kitűzve egy globális kvantumkommunikációs hálózat létrehozása, amihez számtalan ország és szervezet járul hozzá egyéni és közös projektek megvalósításával is.

Az elmúlt évben egy, az Ericsson és BME együttműködésében épülő vezetékes kvantumkulcsszétosztó rendszer építésén dolgoztam. A rendszer alapját a BB84 algoritmus fáziskódolt változata adja, ahol két kommunikáló fél (Alice és Bob) között kerül sor kulcsszétosztásra. Az optikai szálas összeköttetésben 1550 nm-es hullámhosszon kibocsájtott fényimpulzusokat használunk, melyeket egyfotonos teljesítményszintre csökkentünk vissza.

Munkám során sikeresen demonstráltam a berendezés fizikai rétegének működését, mérési eredményekkel jellemezve a rendszerben alkalmazott egyedi szoftveres és hardveres megoldások átviteli tulajdonságait.

szerző

• 
  Czermann Márton
  Villamosmérnöki szak, mesterképzés
  mesterképzés (MA/MSc)
  

konzulensek

• 
  Dr. Bacsárdi László
  egyetemi docens, Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
• 
  Dr. Kis Zsolt
  tud. főmunkatárs, Wigner Fizikai Kutatóközpont (külső)
• 
  Dr. Kovacs Benedek
  Senior Specialist - Ericsson, Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék

helyezés