Kvantna komunikacija
Matematički algoritmi manje ili više uspešno šifruju mnoge važne informacije – zdravstvene i poslovne poruke, novčane transakcije… Često čitamo i o nesavršenostima te zaštite, pa je u naučnim krugovima velika pažnja posvećena snažnijim enkripcionim tehnikama, kao što je kvantna kriptografija. Trenutak kada će ona biti primenjiva sve je bliži…
Kvantna kriptografija ili kvantna distribucija ključa (QKD – Quantum Key Distribution) koristi fenomene kvantne mehanike za ostvarenje bezbedne komunikacije. Ona omogućava kreiranje nasumičnog niza bitova (ključ za enkripciju i dekripciju poruka), poznatog samo stranama koje učestvuju u komunikaciji. Pritom, dva korisnika koja komuniciraju imaju mogućnost da otkriju prisustvo treće strane koja pokušava da „ukrade“ informaciju o ključu, jer svojim delovanjem ona narušava sam kvantni sistem izazivajući nepravilnosti u njegovom radu.
4D kodiranje
Kvantna kriptografija koristi se za kreiranje i distribuciju ključa za šifrovanje i dešifrovanje, dok se poruke sastavljene od podataka mogu prenositi standardnim kanalima za komunikaciju. Na taj način ostvaruje se dodatna bezbednost podataka jer se kvantnom superpozicijom i kvantnom isprepletenošću kreira sistem komunikacije koji može da prepozna prisluškivanje. Bezbedan ključ kreiran je ako je nivo prisluškivanja ispod određenog praga. Ukoliko to nije ostvareno, ključ nije bezbedan i komunikacija se prekida.
U svom osnovnom obliku, informacije se i kod kvantne komunikacije kodiraju u binarnom sistemu. Fotoni se šalju između dve tačke. Svaki od njih nosi jedan bit informacija sa dva moguća stanja (1 ili 0). Ali, tehnika nazvana visokodimenzionalna kvantna enkripcija može teoretski da smesti u svaki foton dva puta više podataka – dva bita informacija, što otvara četiri mogućnosti za stanje fotona (kombinacije 00, 01, 10 i 11). Zbog toga se ovakav način kodiranja naziva 4D kodiranjem, dok se klasičan način s dva moguća stanja fotona naziva 2D kodiranjem.
Prva kvantna komunikacija u prirodnom okruženju
Studiju o prvoj 4D kvantnoj komunikaciji prikazali su istraživači Univerziteta u Otavi, u časopisu Optica udruženja Optical Society – vodeće profesionalne organizacije za naučnike, inženjere, studente i poslovne lidere u oblasti optike. Tehnika je najpre testirana u laboratoriji, a zatim praktično demonstrirana u realnom okruženju za prenos podataka.
Za dokaz tog koncepta istraživači iz Otave najpre su uspeli da pošalju poruku sa 4D kvantnom enkripcijom između krova dve zgrade, koje su se nalazile na udaljenosti 0,3 km od univerziteta. Komunikacija je ostvarena na rastojanju od 300 metara. Test je bio uspešan, poruka zaštićena 4D kvantnim šifrovanjem poslata je sa greškom ispod 11 odsto, što je čini dovoljno sigurnom (prag dozvoljene greške je 19 odsto). Test je, osim zadovoljavajuće sigurnosti, pokazao da se na ovaj način može preneti 1,6 puta više podataka preko istog kanala.
Istraživači kažu da je njihov sledeći korak testiranje horizontalne komunikacije na rastojanju od preko tri kilometra, a zatim sistema komunikacije između tri tačke sa udaljenošću svake od njih po 5,6 kilometara. Koristiće se optika posebno prilagođena ovom sistemu, kako bi se neutralizovalo dejstvo turbulencije. Nadalje, istraživači nameravaju da povežu ovu mrežu s nekom već postojećom u gradu, a u planu je i dodavanje više linkova i više enkripcionih dimenzija sistemu.
Efikasniji i sigurniji prenos
Istraživači iz Otave prvi put u istoriji poslali su informaciju koja je sadržala više od jednog bita po fotonu kroz vazdušni prostor iznad grada. Taj eksperiment je pokazao da će u budućnosti moći da se koristi kvantna komunikacija u slobodnom prostoru kako bi se s velikom sigurnošću ostvarila veza između mreža na Zemlji i satelita, u težnji da se kreira globalna mreža kvantne komunikacije.
Pakovanje više informacija u jednom fotonu znatno će ubrzati prenos podataka. Kako kaže vodeći istraživač ove studije Ebrahim Karimi, princip kvantne komunikacije koji su oni demonstrirali mogao bi uspešno da poveže Zemlju s komunikacionim satelitima ili u raznim drugim scenarijima gde je preskupo ili nemoguće instalirati optičke kablove, a mogao bi da se koristi i za komunikaciju s pokretnim objektima kao što su avioni.
Najznačajnije je to što ova tehnika ne samo da omogućava brži prenos više informacija, tj. veće količine podataka, već daje i mnogo veću sigurnost prenosa u pogledu uticaja faktora okruženja (vazdušne turbulencije, elektronske smetnje, detektori koji ne rade ispravno…), kao i od presretanja poruka. Značajan efekat korišćenja kvantnog šifrovanja jeste mogućnost znatnog smanjenja hakerskih napada na komunikacione mreže.
Prvi kvantni satelit
Kina je jedan od lidera u razvoju kvantnih komunikacija. Eksperimentalne kvantne mreže testiraju se od 2012. godine, a u julu 2016. Kina je, u sklopu misije kvantnih eksperimenata u kosmosu (QUESS – Quantum Experiments of Space Scale), lansirala prvi kvantni komunikacioni satelit. Satelit Micius je do željene lokacije dopremljen raketom Long March 2D, koja je lansirana iz centra Jiuquan Satellite u pustinji Gobi. Osim kineskih naučnika, u ovom projektu su učestvovali i naučnici sa Univerziteta u Beču.
Satelit testira fenomen kvantne povezanosti u kome dve čestice deluju kao uzajamno zavisan par čak i kada je među njima ogromna razdaljina. Svojstvo jedne čestice ima i druga, a one zajedno čine sistem. To znači da se merenjem osobina jedne čestice dobijaju podaci o drugoj, njenom paru koji se nalazi na velikoj udaljenosti. U komunikacijama, takav par čestica mogao bi da se postavi na površini Zemlje i na komunikacionom satelitu.
Na ovaj način ostvarena je svojevrsna teleportacija. Godinu dana nakon lansiranja kvantnog satelita, kineski naučnici ostvarili su kvantnu komunikaciju preko optičkih vlakana i uspeli da teleportuju informaciju na udaljenosti većoj od 480 km. Preneli su kvantno stanje jednog fotona na Zemlji na drugi foton u svemiru. Zemaljska stanica nalazila se na Tibetu (Ngara), na 4000 m nadmorske visine. Eksperiment je trajao 32 dana, pri čemu je ostvareno 911 slučajeva teleportacije.
Time je u potpunosti potvrđena mogućnost kvantne komunikacije na velikoj udaljenosti. Kvantna teleportacija ključni je element i uslov za stvaranje budućih kvantnih informacionih tehnologija – kvantnih kompjutera, kvantnog Interneta…
Nakon uspešnog testiranja kvantnih komunikacija, Kina je najavila realizaciju prve kvantne komunikacione mreže u gradu Đinanu, u istočnoj kineskoj provinciji Šandung. Najpre će biti korišćena za komunikaciju u segmentu odbrane i finansija, ali će se uskoro proširiti i na druge oblasti i prerasti u mrežu koja će pokrivati čitavu Kinu, a zatim, kako najavljuju, i čitav svet.
Kvantni Internet
Sva dosadašnja praktična dostignuća, pa i studija istraživača iz Otave, uglavnom se odnose na kvantnu komunikaciju između dva korisnika. Kvantni Internet namenjen je većem broju korisnika, to je aktivna mreža s više klijenata. Takva eksperimentalna mreža već nekoliko godina postoji u vojnoj laboratoriji u Los Alamosu (Novi Meksiko).
Kvantni Internet je mreža bazirana oko hub‑a. Sve poruke preusmeravaju se sa lokalnih rutera na centralni hub, koji održava poruke na kvantnom nivou, pa je obezbeđena potpuna sigurnost komunikacije. Hub je neophodan jer bi postojanje više od jednog rutera značilo pretvaranje kvantnih bitova (kubita) u klasične bitove. U slučaju postojanja više rutera, hub ih uvek nanovo pretvara u kvantne podatke.
Svi klijenti opremljeni su kvantnim transmiterima, ali ne i kvantnim detektorima. Radi sigurnosti, detektor ima samo centralni hub. Podrazumeva se da je njegova sigurnost prioritet, jer se u slučaju njegovog kompromitovanja ruši bezbednost cele mreže.
Nadežda Veljković
