Ovo otkriće veliki je korak prema potpuno sigurnoj i zaštićenoj mrežnoj komunikaciji, a mi smo odlučili posjetiti Ruđer i saznati više detalja iz prve ruke. U današnje doba, kada su informacije najdragocjenija roba, međusobna sigurna komunikacija od ključnog je značaja. Najbolja postojeća klasična rješenja zaštite pri prijenosu informacija čine presretanje i dekodiranje informacija teškim, ali ne i nemogućim. To znači da klasično zaštićena komunikacija ne omogućuje potpuno sigurno komuniciranje jer se za svaku vrstu klasične komunikacije može pronaći način na koji treće osobe mogu otkriti informacije. Za razliku od klasične, kvantna komunikacija koristi zakone kvantne fizike kako bi zajamčila potpunu i dugoročnu sigurnost razmjene informacija. Kvantna komunikacija još nije masovno zaživjela pa danas još uvijek nemamo kvantnu tehnologiju u svojim domovima, a razlog je tomu taj što je bilo nevjerojatno komplicirano izgraditi veliku i lako proširivu kvantno zaštićenu komunikacijsku mrežu.
Dio znanstvenog tima: QNET na eksperimentu u Bristolu (Martin Lončarić straga i Željko Samec prvi s desna)
Međunarodni tim istraživača, koji je uključivao znanstvenike s Instituta Ruđer Bošković, Sveučilišta u Bristolu i Instituta IQOQI Austrijske akademije znanosti, osmislili su, dizajnirali i eksperimentalno realizirali kvantnu komunikacijsku mrežu s više korisnika koju je nemoguće špijunirati. Ovo otkriće veliki je korak prema potpuno sigurnoj i zaštićenoj mrežnoj komunikaciji, a rezultati ovog značajnog znanstvenog otkrića objavljeni su u prestižnom znanstvenom časopisu Science Advances (doi: 10.1126/sciadv.aba0959).
Hrvatski dio znanstvenog tima činili su dr. sc. Martin Lončarić, jedan od autora rada i znanstveni suradnik u Laboratoriju za fotoniku i kvantnu optiku Zavoda za eksperimentalnu fiziku na IRB-u, dr. sc. Mario Stipčević, voditelj Znanstvenog centra izvrsnosti za napredne materijale i senzore (CEMS) na IRB-u te Laboratorija za fotoniku i kvantnu optiku te Željko Samec, član CEMS-a i tehničar Radionice Zavoda za fizičku kemiju IRB-a, čiji su djelatnici proizveli ključne instrumente i uređaje za provedbu eksperimenta.
Hrvatska inovacija
Jedan od naših domaćina, kvantni fizičar dr. sc. Martin Lončarić, pojašnjava kako je hrvatski dio tima dao svoj doprinos istraživanju osmišljavanjem, dizajniranjem i izradom optičkih prijamnika – korisničkog dijela komunikacijske opreme u kvantnoj mreži.
Dr. Mario Stipčević: Voditelj Znanstvenog centra izvrsnosti CEMS na IRB-u
Dr. sc. Mario Stipčević, voditelj CEMS centra, odlučio nam je pojasniti razliku između kvantnog oblika komunikacije u odnosu na klasični internet te zašto je ovaj izum iznimno važan. "Klasična komunikacija, na primjer ona koja nam donosi internet u kuću, koristi makroskopsku količinu električne ili svjetlosne energije za svaki bit informacije koji se prenosi kroz komunikacijski kanal (žicu, svjetlosni vodič,...). Konkretno, bitovi se prenose tako da se jedan prilično jaki laser uključuje (vrijednost bita je 1) ili isključuje (vrijednost bita je 0). Stoga je vrlo lako odvojiti mali dio signala i neopaženo prisluškivati. S druge strane, kvantna fizika uči nas da tvar i energija imaju najmanje količine - kvante. Kvantna komunikacija odvija se tako da se svaki bit informacije prenosi samo jednim kvantom. U našem slučaju bit, ili da budemo posve točni kvantni bit - qubit, prenosi se najmanjom količinom svjetlosti koju zovemo foton. Budući da je foton nedjeljiva veličina, u svrhu prisluškivanja moramo odvojiti cijeli qubit i uništiti ga, a zakoni kvantne fizike ne dopuštaju da se qubit prije toga vjerno kopira kako bi se mogao vratiti u komunikacijski kanal. Kvantni Internet tako koristi kvantnu komunikaciju u svrhu postizanja potpune sigurnosti."
"U prvoj fazi kvantne komunikacije obje strane stvaraju zajednički ključ o kojem prisluškivač ništa ne zna. Važno je pritom napomenuti da taj ključ ne nosi nikakvu informaciju. On se koristi već u sljedećoj fazi, odnosno u kriptiranju informacije koju treba prenijeti. U slučaju da netko prisluškuje kvantni kanal (optičko vlakno), spomenuta se radnja lako detektira, a kompromitirani dio ključa odbacuje, pa osoba koja prisluškuje ne može dobiti nikakvu informaciju o ključu. Taj ključ najčešće se koristi kao jednokratna lozinka (one-time pad)".
Dr. Siddarth Joshi, voditelj međunarodnog tima, u akciji na eksperimentu
Međunarodni tim pod vodstvom Siddartha Kodurua Joshija sa Sveučilišta u Bristolu prvi je uspio osmisliti koncept te praktično realizirati kvantnu komunikacijsku mrežu u koju je jednostavno uključiti veći broj korisnika. Praktična realizacija bila je u obliku kvantne mreže od osam korisnika koja se proteže kroz grad Bristol putem svjetlosnih vodiča, jednakih onima koji se koriste i za "običan" Internet. Lončarić i Stipčević su nam pojasnili da je broj priključenih korisnika jednostavno proširiv, a za uspostavljanje kvantne mreže koristi se postojeća optička infrastruktura, što je vrlo važna stvar koja omogućuje bržu i lakšu implementaciju.
Također smo saznali da je sustav kompatibilan s velikim brojem postojećih i budućih kvantnih protokola koji će omogućiti široku paletu komunikacijskih servisa, što se ostvaruje tako da pružatelj usluge omogućuje svim korisnicima dijeljenje kvantne prepletenosti putem mreže. Pritom je bitno uočiti da to što je dio kvantne mrežne infrastrukture pod kontrolom operatera, njemu ne omogućuje prisluškivanje.
Kvantna komunikacija
Kvantna komunikacija smatra se potpuno sigurnom te ju je nemoguće probiti budući da se radi o prirodnim, odnosno fizikalnim zakonima. Takva komunikacija vrši se kombinacijom kvantne prepletenosti (spregnutosti) fotona i standardnih telekomunikacijskih tehnika.
Iako su od ranije poznati principi kvantne komunikacije između dvaju korisnika, problemi vezani za umrežavanje više korisnika te stabilnost veze tijekom duljeg vremena predmet su brojnih znanstvenih i tehnoloških istraživanja.
S druge strane, kada je riječ o aktualnoj tehnologiji, Martin Lončarić kaže da su dosadašnje realizacije kvantne komunikacije bile izvedive samo između dvaju pojedinačnih korisnika te da je veliki izazov uvijek bio uključivanje novih korisnika u komunikaciju, što je uzročno-posljedično vuklo za sobom i umnožavanje i gomilanje opreme. Kod kvantne mreže naših Ruđerovaca to nije slučaj.
"Naš koncept kvantne mreže omogućuje jednostavno dodavanje novih korisnika. Uz to, svaki korisnik dobiva jedan prijamnik, što do sada nije bio slučaj, dok je kao predajnik za cijelu mrežu dovoljan samo jedan izvor fotona u prepletenim kvantnim stanjima", navodi dr. Lončarić.
Martin Lončarić: Jedan od autora rada i znanstveni suradnik u Laboratoriju za fotoniku i kvantnu optiku Zavoda za eksperimentalnu fiziku na IRB-u
No, kako to funkcionira u praksi? Lončarić pojašnjava kako je ekipa iz Bristola, Beča i Zagreba izgradila kvantnu mrežu: "Zahvaljujući kolegama iz Austrije dobili smo predajnik, ekipa iz Bristola radila je na infrastrukturi između prijamnika i predajnika, dok smo mi osmislili, dizajnirali i praktično realizirali optičke prijamnike za kvantnu mrežu za osam korisnika".
U razgovoru smo se dotakli i proizvodnje opreme (na Ruđeru) koja se koristila za ovo istraživanje i izradu prijamnika. Ističu kako je u projekt bio uključen Željko Samec, član CEMS-a i tehničar Radionice Zavoda za fizičku kemiju IRB-a. Upravo je on s kolegama izradio instrumente i uređaje za provedbu eksperimenta te je sudjelovao i u samom eksperimentu u Bristolu.
Radionica Zavoda za fizičku kemiju- U Radionici Zavoda za fizičku kemiju Instituta Ruđer Bošković izrađeni su prijamnici za kvantnu mrežu, koji su bili dio velikog eksperimenta koji su hrvatski znanstvenici s kolegama proveli u Bristolu. Prijamni moduli sastavljaju se od preciznih optomehaničkih dijelova i optičkih leća. Svi dijelovi izrađeni su u Hrvatskoj, odnosno u toj radionici IRB-a
Lončarića smo upitali koliko bi se korisnika moglo tako povezati u kvantnu mrežu i bi li ona jednog dana mogla povezati čitav svijet globalnog interneta. "U ovom obliku ona bi mogla ići u povezivanje i više stotina korisnika, no da bi to postao internet, moraju se napraviti interkonekcije između više kvantnih mreža, kao što su trenutno povezane računalne mreže koje čine postojeći internet.
Izdvajanja za kvantne mreže u Europi i Hrvatskoj
Upitali smo naše znanstvenike kada bi se ovo moglo naći pred korisnicima, ali i za financijsku konstrukciju samog projekta. Prema njihovom mišljenju, usluge kvantnog komuniciranja očekuju se kroz desetak godina u Europi. Razlog je vrlo jednostavan: europska je komisija uz potporu Europske svemirske agencije pokrenula veliki program razvoja infrastrukture za kvantne komunikacije EuroQCI (Quantum Communication Infrastructure for European Union). Uključeni su i konzorciji partnera iz industrije, a predvode ih Airbus i Thales. Kako bi ubrzale razvoj na ovom polju, velike države i same ulažu velika sredstva u kvantne tehnologije. Tako je npr. Njemačka investirala 650 milijuna eura, dok je Velika Britanija uložila 270 milijuna funti.
Optički laboratorij- U optičkom laboratoriju postavljen je izvor koji se koristio za potvrdu fundamentalnih zakona kvantne mehanike. Taj se izvor koristi i u predpripremnim koracima za provođenje velikog eksperimenta. Saznali smo da se zbog mogućnosti utjecaja zalutalog svjetla (stray light) u laboratoriju obavezno mora skinuti ručni sat i upozorili su nas da ništa ne diramo jer je sve precizno kalibrirano za provođenje eksperimenata u kojima se fotonska laserska zraka kreće "setupom".
I dok veliki svjetski igrači ulažu velika financijska sredstva, u Hrvatskoj to nije slučaj. Naši znanstvenici ipak vjeruju da će i aktualna vlast prepoznati važnost razvoja kvantnih tehnologija u Hrvatskoj i njihov trud, pa veseli što ih je osobno primio ministar obrazovanja i znanosti dr. Radovan Fuchs, koji im je čestitao na uspjehu.
Utrka u kvantnoj komunikaciji
U daljnjem razgovoru s našim sugovornicima saznajemo da su im u ovoj utrci za kvantni internet glavni konkurenti zasigurno Sjedinjene Američke Države i Kina koja je kvantnu komunikaciju ostvarila i bežično putem specijalnog satelita. Osim toga, ovaj azijski div odlučio je o kvantnoj revoluciji i javno govoriti, čemu u prilog ide činjenica da je o toj temi govorio i kineski premijer u travnju prošle godine u Dubrovniku.
Tom je prilikom istaknuo važnost izuma baziranih na kvantnoj fizici, kao što su novi detektori, materijali, senzori, ali i servisi utemeljeni na spomenutoj ideji.
Optičke leće: za prijemnike u kvantnoj mreži
Patenti i licence
Na naše pitanje hoće li njihov tim ovo istraživanje licencirati te imaju li kakvih planova o eventualnom pokretanju spin-off startupa koji bi ga komercijalizirao, hrvatski znanstvenici skromno kažu da nemaju takvih namjera.
"Mi ovo vidimo kao značajan korak u razvoju znanosti i tehnologije na tom polju, ali ima niz otvorenih problema koje još treba riješiti", navodi Lončarić i dodaje da su rezultati njihovog istraživanja objavljeni u Science Advancesu dani na raspolaganje cijelom svijetu, što otvara mogućnost daljnjih istraživanja znanstvenicima, a industriji i drugim zainteresiranim stranama pruža priliku za razvoj komercijalnih proizvoda baziranih na vlastitim tehničkim rješenjima."
