Avtor: prof. dr. Anton Ramšak, Univerza v Ljubljani Fakulteta za matematiko in fiziko

Izum, razvoj in uporaba parnega stroja je bila posledica potrebe bo črpanju vode v britanskih premogovnikih in je vodila do industrijske revolucije. Parni stroji so začeli delovati še pred popolnim fizikalnim razumevanjem teorije termodinamike, ki se je dokončno razvila prav na podlagi izkušenj s parnimi stroji. Tako je bil za vedno pokopan »perpetum mobile«, tj. stroj, ki bi deloval brez dovajanja goriva. To je vodilo do rojstva novih temeljnih fizikalnih zakonov – do energijskega in entropijskega zakona. Z razumevanjem elekromagnetizma in termodinamike ob koncu devetnajstega stoletja se je zdelo, da se je razvoj fizike dopolnil in da morajo znanstveniki samo še natančneje določiti osnovne konstante ter se usmeriti v razvoj uporabnih naprav na osnovi fizikalnih zakonov.

Prav zato je bilo na začetku dvajsetega stoletja veliko presenečenje, ko so z eksperimenti ugotovili, da vendarle še ne razumemo vsega. Izmerili so, da je hitrost svetlobe konstantna, kar je vodilo do Einsteinovega odkritja enačb relativnostne teorije. Morda se ne zavedamo, vendar tehnologija naprav za satelitsko navigacijo deluje izključno na podlagi Eisteinovih enačb. Enako nepričakovano in nepojasnjeno v okviru klasičnega razumevanja sveta in fizike je bilo odkritje fotoelektričnega pojava. Tudi tega je pojasnil Einstein; to odkritje je v naslednjih desetletjih vodilo v razvoj povsem nove fizike, tj. kvantne mehanike. Na primer fotovoltaične sončne celice delujejo prav na podlagi tega odkritja. Pojem kvant, ki se je na začetku nanašal na nekakšne osnovne pakete energije, je vpeljal Max Planck po latinski besedi »quantum«, ki v slovenskem prevodu pomeni »toliko« ali »koliko«. Kasneje se je izkazalo, da ni kvantizirana le energija, ampak je to temeljna lastnost večine merljivih fizikalnih količin, opazljivk, in je zato izraz kvantna mehanika zelo primeren.

Razvoj kvantne mehanike

V naslednjih letih je sledil nesluten razvoj, ko so fiziki lahko v okviru formalizma kvantne mehanike pojasnili najprej strukturo atomov in atomskih jeder, nato lastnosti osnovnih delcev ter končno nenavadne lastnosti snovi, kot sta superprevodnost in magnetizem. Zaradi izrednega uspeha novega orodja je bil leta 1935 članek Einsteina in sodelavcev ponovno nepričakovan; z njim so opozorili, da formalizem kvantne mehanike v sebi skriva nepričakovano »strašljivo delovanje na daljavo« (ang. »spooky action at the distance«), kot je pojav poimenoval Einstein. Iz enačb, in ne z eksperimentom, je odkril eno od najznačilnejših lastnosti kvantne mehanike, »kvantno prepletenost« (ang. »quantum entanglement«) delcev, kot jo je še istega leta poimenoval eden od očetov kvantne mehanike, Erwin Schrödinger, ki je pojav omenjal kot paradoks. Takrat namreč ni bilo povsem jasno, ali gre za pomanjkljivost teorije ali je res možno, da v naravi obstaja tako nenavadno delovanje, kot so ga napovedovale enačbe.

Od takrat je minilo pol stoletja, dokler niso glede kvantne prepletenosti francoski fiziki v osemdesetih letih prejšnjega stoletja končno potrdili pravilnosti enačb kvantne mehanike. Eksperimentalni rezultati so se povsem ujemali s teorijo; znan je takraten komentar: »Le kako bi Einstein komentiral rezultate?«. Izkazalo se je, da je fizikom uspelo samo na podlagi teoretičnih raziskav odkriti pojav, ki bo sedaj, šele po sto letih kvantnega razvoja, bistveno spremenil tehnologijo elektronskih naprav, ki jih uporabljamo tako za računanje kot za prenos in obdelavo informacij.

Kvantni računalniki realnost, kitajski znanstveniki so vodilni na svetu

V prvo kvantno revolucijo lahko uvrstimo naprave, na katere smo se že povsem navadili in se niti ne zavedamo, da so plod načrtovanja z uporabo zakonov kvantne mehanike – to so na primer računalniki, mobilni telefoni in satelitska navigacija. V drugi kvantni revoluciji, ki je sedaj na pohodu in temelji na izrabi kvantne prepletenosti, prehajamo v razvoj naprav, katerih zmogljivosti si trenutno sploh še ne znamo predstavljati. Gre za razvoj kvantnih računalnikov in s kvantno-mehanskimi zakoni narave zaščiteno komunikacijo. Kaj to pomeni? Pred dobrim mesecem so kitajski znanstveniki z Univerze v Hefeiu objavili novico, da jim je uspelo izdelati kvantni računalnik, ki je že med testnim delovanjem v dobri uri razrešil matematični problem, ki bi ga največja obstoječa gruča klasičnih računalnikov nepretrgoma računala več kot osem let. Polna zmogljivost bo še bistveno večja. Pred takimi računalniki ni varen noben obstoječi kriptografsko zaščiten sistem podatkov ali komunikacij; ustrezno zaščito omogoča samo tehnologija, ki sloni na zakonih kvantne mehanike.

Da si lažje predstavljamo, zakaj in v čem je kvantna komunikacija drugačna od klasične, naj najprej predstavimo osnove klasičnega prenosa podatkov, ki ga v takšni ali drugačni obliki uporabljamo že zelo dolgo. Zgodovinsko so največkrat sporočila prenašali različni sli, celo golobi pismonoše. Tehnično se pri takih prenosih pojavi več izzivov, in sicer si predvsem želimo zanesljivost in hitrost prenosa informacije. Dodatno je pogosto potrebno uporabiti zaščito vsebine sporočila, kar se je v vsej zgodovini izvajalo na zelo različne načine šifriranja. V okviru današnje tehnologije je že zelo dobro rešen problem zanesljivega in hitrega komuniciranja. Tajnost sporočil pa kljub nespornemu napredku kriptografskih metod še vedno ni zadovoljiva. Sporočila so običajno zaščitena z geslom, šifrirnim ključem. Če bi za vsako sporočilo uporabili nov ključ, na primer zaporedje naključnih števil in enake dolžine, kot je samo sporočilo, bi bila varnost popolna. Vendar to v praksi v večini primerov ni izvedljivo, saj je prenos ključa enako zahteven kot prenos samega sporočila. V praksi imamo krajša gesla, ki jih večkrat uporabimo.

Zagotavljanje tajnosti podatkov

Za zagotavljanje tajnosti prenešenih podatkov torej potrebujemo čim daljše geslo, ki naj bo poznano le pošiljatelju in prejemniku. Problem nastane, ko želimo to geslo prenesti z ene lokacije na drugo, ker pri tem prenosu v okviru klasičnih metod prenosa podatkov ne moremo izključiti možnosti prisluškovanja. Kot primer naj služi prenos sporočila s svetlobnimi bliski, kot so dejansko nekoč med seboj komunicirali z ene na drugo ladjo. Z ladje »A« sporočamo tajno sporočilo na ladjo »B« tako, da z močnim reflektorjem z »A« pošiljamo snop svetlobe v smer »B«, kjer opazovalci beležijo zaporedje svetlobnih bliskov in pri tem lahko uporabljajo Morsejevo abecedo.

Sporočilo je lahko še dodatno zaščiteno s šifro, kar zaenkrat ni bistveno. Težava pri takem načinu komuniciranja je v tem, da isto sporočilo lahko vidi vsak opazovalec »C«, ki se nahaja v smeri svetlobnega snopa, na primer, na podmornici nekje daleč za ladjo »B«. Opazovalec »B« z opazovanjem sporočil ne more vedeti, ali je tudi opazovalec »C« prejel sporočilo. Povsem enako je pri pošiljanju sporočil po telegrafskem električnem kablu, s klasičnim telefonom ali pri sodobnem digitalnem penosu informacij. Danes na primer komuniciramo preko optičnih vlaken, kjer se na binarni način prenašajo zaporedja ničel in enic, kar v svojem bistvu ni bistveno drugače, kot je bilo nekoč sporočanje s svetlobnimi bliski.

Posamezni svetlobni blisk v optičnem kablu vsebuje na milijone osnovnih »paketkov« svetlobe – kvantov svetlobe. Če torej informacijo pošiljamo s klasičnimi bliski, je mogoče nekaj fotonov, izmed milijonov poslanih, neopaženo prestreči (kot je lahko opazovalec »C« iz podmornice prisluškoval komunikaciji med omenjenima ladjama). Enako je v primeru pošiljanja signalov z električnim tokom, kjer je v toku na milijone elektronov.

Kvantni način komuniciranja

Pri kvantnem načinu komuniciranja ne pošiljamo svetlobnih bliskov, ampak posamezne fotone. Fotoni so najmanjši gradniki elektromagnetnega polja in jih v okviru klasičnih enačb ne moremo obravnavati. Opisujejo jih enačbe kvantne mehanike; v zvezi s kvantno komunikacijo je pomembno, da so fotoni nedeljivi in jih ni mogoče podvojiti (kopirati). Fotone, tako kot običajno svetlobo, okarakteriziramo s polarizacijo valovanja, ki je lahko npr. v vodoravni ali v navpični smeri, kjer ena predstavlja število 0 in druga število 1. Če pošiljamo posamezne fotone, lahko informacijo sporočamo ravno s pomočjo polarizacije. Težava nastopi pri večjih razdaljah, ker se svetloba v optičnih vlaknih absorbira, kar konkretno pomeni, da se določen delež poslanih fotonov izgubi, tako bi se izgubila tudi informacija. Na razdalji Postojna – Ljubljana, na primer, je prepuščenih zgolj 4% fotonov. Zato se »A« in »B« dogovorita, da »A« pošilja fotone ob točno določenih časih, zato lahko vse poslane fotone oštevilčijo: prvi poslani, drugi, tretji, ... trideset milijonti itd., približno 70 milijonov se jih pošlje na sekundo. Naslovnik »B« detektira posamično poslane fotone in v določenem času jih zbere npr. nekaj tisoč. Ker ve, kdaj naj bi fotoni prispeli, lahko vsakega prejetega oštevilči in nato podatek o času prejema posameznih fotonov sporoči pošiljatelju »A«. Tako oba točno vesta, katere od poslanih fotonov je prejemnik dejansko prejel. Dogovorita se, da bo ravno to zaporedje ničel in enic ključ za nadaljnjo komunikacijo.

Zakaj naj bi bila ta komunikacija varnejša od klasične?

Predvsem je pomembno dejstvo, da je vsak foton enkraten, in če ga prisluškovalec »C« prestreže, ga naslovnik ne more več in zato ve, da se je foton ali absorbiral ali je bil prestrežen. Po drugi strani pa naslovnik »B« za vsak prejeti foton ve, da ga ni prestregel nihče drug; prejeti foton se lahko vključi v kvantni ključ. V resnici postopek le ni tako preprost. Načeloma bi neka oseba »C« fotone lahko prestrezala (ne prisluškovala) in bi takoj nato naslovniku pošiljala druge fotone (kopiranje ni mogoče). Zato sta že leta 1984 Charles Bennett and Gilles Brassard predlagala kvantni protokol, imenovan BB84, ki omogoča izvedbo prenosa fotonov, kjer se povsem izključi možnost uporabnega prestrezanja fotonov. Postopek vključuje dve različni vrsti polarizacije fotonov in ustrezen protokol, ki izbira posamezne polarizacije, vendar je v osnovi prenos podatkov podoben kot v poenostavljenem opisu. Na ta način se lahko med »A« in »B« vzpostavi t.i. kvantni ključ in nato se lahko z njim zašifrirana sporočila pošilja na običajen način.

Opisan postopek je le ena od možnosti vzpostavitve skupnega ključa, od katerih ima vsaka svoje prednosti in tudi pomankljivosti, kar pa zaenkrat še sodi v področje raziskav. Obstaja tudi protokol, ki povsem temelji na osnovah kvantne prepletenosti, je pa nekoliko bolj zahteven za izvedbo. Vsekakor v okviru kvantne tehnologije prisluškovanje (skoraj...) ni mogoče, je pa sama izvedba tehnološko izredno zahtevna, kar je tudi razlog, da se šele sto let po odkritju zakonov kvantne mehanike počasi vzpostavlja njihova uporaba. Naprave, ki omogočajo izvedbo takšnih povezav, so namreč zaenkrat še v poskusni fazi; možen je le nakup posameznih laboratorijskih komponent, iz katerih znanstveniki sami sestavijo ustrezno kvantno napravo, na primer laserske izvore in detektorje posameznih fotonov.

Pred nagovorom slavnostnih gostov so fiziki vzpostavili kvantni ključ, glasbeniki Akademije za glasbo Univerze v Ljubljani, Akademije za glasbo Univerze v Zagrebu in tržaškega konservatorija "Giuseppe Tartini" pa so nato po vzpostavljeni zvezi izvedli krajši glasbeni program, pri čemer so s t. i. kvantno kriptografijo v celoti izkoriščali revolucionarno tehnologijo popolnoma varnega prenosa zvoka in slike. Vzpostavljeni ključ je bil dolg 4096 bitov, bi pa brez težav lahko vzpostavili skoraj poljubno dolgo zaporedje.

Kvantno komunikacijo so izvedli skupaj fiziki v treh državah: v Ljubljani na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani v okviru raziskovalne skupine prof. dr. Rainerja Kaltenbaeka in raziskovalnega projekta ARRS »Razvoj komponent za vzpostavitev nove evropske mreže za kvantno komunikacijo«, ki ga vodi prof. dr. Anton Ramšak; v Zagrebu je eksperiment potekal v izvedbi fizikov z Inštituta Ruđer Bošković in v Trstu z Oddelka za fiziko Univerze v Trstu ter CNR. Optično povezavo Trst –Postojna –Ljubljana je zagotovil Telekom Slovenije, ki je tudi omogočil uporabo svojega prostora Telekoma v Postojni, kjer so znanstveniki pred dogodkom izvedli preklop kvantnega kriptografskega ključa.

Nov mejnik v kvantni komunikaciji je tudi uspeh slovenskih raziskovalcev

Predstavitev je tako zgodovinsko prva uporaba kvantnih zakonov narave izven znanstvenih laboratorijev med tremi državami in z namenom popolnoma varne komunikacije, pri čemer je bilo uporabljeno standardno telekomunikacijsko omrežje. Zaradi svoje strateške lege se s tem Ljubljani in Sloveniji na stičišču glavnih evropskih komunikacijskih poti zahod-vzhod in sever-jug odpirajo povsem nove možnosti polne vzpostavitve in izkoriščanja te nove tehnologije.

Za zaključek lahko parafraziramo Faradayevo napoved, da bo sledilo tudi obdavčenje uporabe kvantne prepletenosti, kar bo znak, da smo opravili zaključni korak pri prehodu kvantne mehanike v vsakdanje življenje. Vedno znova se je namreč potrdilo, da vlaganje v osnovno znanost privede do vsakodnevno uporabnih rezultatov, vendar pogosto ne nujno v zelo kratkem času.

Vabimo vas k branju ostalih zanimivih člankov, ki so objavljeni v 26. številki revije Korporativna varnost.