Gábor Dénes Klub – űrkutatási technológiák
11 perc olvasás
A Gábor Dénes Díjasok Klubja 2018. február 16-án tartotta második űrkutatással kapcsolatos összejövetelét a Makadám Klubban, összegezve a jelenlegi kutatások eredményeit. (Egy, a témával foglalkozó hazai kutató tevékenységét már 2011-ben Gábor Dénes díjjal ismerték el.)
Darvas Ferenc klubelnök mutatta be az első előadót, dr.Bacsárdi Lászlót, mint a mai fiatalokat tömörítő űrtechnológiai mozgalom meghatározó alakját.
A soproni Nyugat-magyarországi Egyetem Simonyi Károly Műszaki, Faanyagtudományi és Művészeti Kar Informatikai és Gazdasági Intézete igazgatója, egyetemi docens, a BME tudományos munkatársa előadását „A műholdas kvantumkommunikáció hajnala“ címmel tartotta. https://inf.nyme.hu/~bacsardi
Mi értünk kvantum kommunikáció alatt?
A hagyományos informatikában bitekről beszélünk, amelyek két lehetséges értéket, 0 és 1 értéket vehetnek fel. A kvantum informatikában azonban, amely a kvantum mechanikán alapul, kvantumbitekről beszélünk. http://slideplayer.hu/slide/2110483/
A kvantumbitek olyan speciális információ-hordozó egységek, amelyek egyszerre vesznek fel 0 és 1-es állapotot (értéket). Tehát nem arról beszélünk, hogy a bitünk értéke 0 vagy 1, hanem egyszerre vehetjük fel mindkét állapotban. Elnevezésük qbit, v. qubit. https://hu.wikipedia.org/wiki/Kvantumbit
A vonatkozó irodalom a felhasználási területeket tárgyalja, közéjük sorolható a teleportálás. Az összefonódás elnevezésű kvantum-mechanikai jelenség alapján létre tudunk hozni olyan speciális, un. összefonódott párokat, amelyek informatikai megközelítésben kettő bitből állanak, különleges viselkedésük jellemezője pedig, hogy ha az egyik bitnek kiolvasom az értékét, ami vagy 0 vagy 1, s az éppen kiolvasott bit értéke pl. 0, akkor ugyanazon időpillanatban a másik bit értéke is 0-ra fog változni. S ez a köztük lévő kapcsolat akkor is fennmarad, ha ezt a két bitet nagyon távol helyezem egymástól. Pl., az egyik bitet itt hagyjuk a Földön, a másikat elküldjük a Marsra, az előző változás ugyanúgy lezajlik, pedig a fénynek még nem is volt ideje a Föld-Mars távolság befutására… Ezt az összefonódási jelenséget fel tudjuk használni teleportáció végrehajtására. A művelet egyenlőre csak fotonokkal hajtható végre.
https://hu.wikipedia.org/wiki/Kvantum-összefonódás
http://www.termeszetvilaga.hu/X-Aknak/cikk/qtp/qtp.html
A kvantum-mechanikai alapon működő kvantum-számítógép már létrehozható, számítási kapacitása, működésbeli gyorsasága jóval meghaladja a hagyományos számítógépekét.
https://hu.wikipedia.org/wiki/Kvantumszámítógép
Matematikailag tekintve, a megoldandó problémát osztályokba lehet sorolni, s nagy valószínűséggel számíthatunk rá, hogy amit a hagyományos számítógépekkel meg tudunk oldani, azt a kvantum számítógéppel nagyon gyorsan tudjuk intézni. A kvantum-számítógépek kapacitása a legtöbb problémakörben gyors megoldást nyújt, de találunk néhány területet, amelyet a hagyományos és a kvantum számítógépekkel egyaránt nehéz kezelni, mint pl. a (számítógép)feltörés.
A napjainkban használt titkosítási megoldások a nyilvános kulcs-titkos kulcs elvre épülnek, de 1995-ben már publikáltak olyan kvantummechanikai alapú algoritmust, amely valószínűsíti, hogy kvantum számítógép segítségével a pillanat tört része alatt bármilyen, eddig alkalmazott titkosítás feltörhető. Mára a kvantum-számítógép segítségével elért feltörési rekordok a 143 számú titkosítás feltörésénél tartanak. A terület jelen állapotában napjaink alkalmazásai még nincsenek veszélyben, bár a kínai kutatók ezen kísérleti csúcseredmény mentén már az 56.153-as titkosítást is feltörték.
https://arsratio.hu/egyre-kozelebb-kerul-a-kvantum-kommunikacio/
A kutatási eredmények biztonsági oldalon való felhasználását a kvantum-alapú kulcs-szétosztás képviseli.
A nyilvános kulcsú titkosítást fel tudjuk már törni kvantum számítógép segítségével, de a szimmetrikus titkosítás feltörése kvantum számítógép segítségével is csak vihető végbe. A megoldás mechanikai analógja; egy lakattal lezárt ládát ugyanzzal a kulccsal nyitjuk, mint amivel lezártuk, de vannak olyan különleges lakatzárak, amelyek feltörése nagyon időigényes. A kérdés mindíg az, hogyan osztozunk a lakathoz hozzáférést adó kulcsokon. Legegyszerűbb lenne a személyes találkozó, de ez a megoldás nem skálázható. Vannak hagyományos eljárások és vannak, amelyek kvantum-informatikai módszereken alapulnak. Az első idevágó eljárást 1984-ben publikálták. A 2020-2030-ra szóló előrejelzések szerint a globális kulcsszétosztás 44%-ában már nagyvállalatok fognak szerepelni.
https://hu.wikipedia.org/wiki/Szimmetrikus_kulcsú_rejtjelezés
A kvantum alapú hagyományos kulcsszétosztás optikai szálon, fotonokkal történik. A szálon történő továbbításnak vannak fizikai határai, 2016-ban 404 km volt a legnagyobb elérhető távolság. Szabad légtérben viszont ilyen korlát nem létezik; 1991-ben 30 cm, 1996-ban 75 m, 2007-ben pedig 144 km távolságot értek el. Ilyen előzmények után fordult a figyelem a műholdak felé, megjelent a kvantum alapú műholdas kommunikáció. Egy-két műholddal 4-5 ezer km-es távolságokat is áthidalhatunk. Műholdas kvantum alapú kommunikációról, kulcs-szétosztásról szólva, a kérdés mindíg az, hogyan jut el a jel egy földi állomásig, majd a műholdig.
Háromféle megoldás jön szóba; a földi állomás és egy műhold közötti oda-vissza közlekedés; két műhold közötti továbbítás, vagy két földi állomás és egy műhold közötti forgalom. Nagyon sok tényező befolyása érvényesül, s teszi bonyolulttá a műholdas kommunikáció világát, befolyásolja a kvantumalapú kommunikációs csatornán a zajviszonyokat. A zaj azért fontos számunkra, mert a kvantum alapú kulcsszétosztás hatalmas előnye, hogy nem lehet aktívan megtámadni, kvantumos módon zajló kulcs-szétosztás esetén ezek a kulcsok nem másolhatók le. A passzív támadás, a halllgatódzás (lehallgatás) sem célravezető, mert azonnal zajt visz a rendszerbe. Amennyiben ismerem a rendszerem alap-zajszámát, akkor ennek hirtelen megnövekedése jelezheti a behatolást, pl. egy repülőgép belerepült a műhoddal kommunikáló lézernyalábba, vagy egy támadó jelent meg a csatornán. (A zajtényezőt sok momentum befolyásolhatja, pl. a köd.) A legtöbb kvantum alapú kulcs-szétosztó protokollnál van egy, a zajra vonatkozóan a kvantum bithiba-arányra elméletileg bizonyított szám, ami megadja, milyen bit-hibaarány mellett megy át az adat helyesen. Az 1984-es protokoll ezt 14%-ban jelöli meg, ha ennél nagyobb a bit hiba-arány a csatornában, akkor már nem biztonságos az átvitel.
A katonai alkalmazású rendszerek biztonságát erősíti, hogy a vezeték mentén utólagosan beavatkozó lehallgató szerkezetet jelzi a zajváltozás, bár az állandósult zajnövekedés a fixen telepített lehallgatások felderítését megnehezíti… A szabad légkörben működő megoldásoknál számolni kell a hosszú utat befutó fotonok nyaláb-szélesedésével. Amennyiben ez a szélesedés meghaladja az antenna méreteit, akkor a rosszindulatú lehallgató akár a vevőantenna mögötti távolabbi térben is információt szerezhet. A védelem minden lehetőségét fel kell használni, fizikai és információ-védelmi megoldásokat egyaránt. A publikálásra nem került DB 84 protokol szerint 12 lépésben kell biztosítani a védelmet.
A kvantum alapú kulcs-szétosztó protokollokat alapvetően mindenki biztonságosnak ítéli. 2016-ban a szemek Kínára szegeződtek, mert augusztus során Föld körüli pályára állt a világ első kvantum-kommunikációs műholdja. Európai tudósok 2008 óta foglalkoztak ennek megvalósításával, de Kína előzött. Működéséről sokáig nem hallhattunk, majd elhangzott, hogy a vártnál sokkal jobban teljesít. 2017 szeptemberében, a kvantum műholdat használva sikeres video-kommunikációt hajtottak végre Peking és Ausztria között. A műhold segítségével megoszthattak kulcsot, s ezeket a kulcsbiteket felhasználták egy normál, hagyományos szimmetrikus kulcsú titkosítási eljáráshoz, amelyből nagyon sok van a szektorban. A kvantumos műholdat csak arra használják, hogy ezeket a kulcsokat egyeztessék és azután teljes normál vonalon zajlik a kommunikáció.
Ez a kínai előretörés megmozgatta a szakmát. A felzárkózás érdekében Európában 2016-ban meghírdették a Quantum Manifesto-t, melynek értelmében a következő 10 évben egymilliárd eurót költenek kvantum technológiai kutatásokra. http://qurope.eu/manifesto
Létrejött egy másik, négy évre szóló európai együttműködés is, ennek egyik magyarországi képviselője maga az előadó. Témájuk; Európának milyen kvantumos kísérleteket érdemes végezni az űrben. A közelmúltban az Európai Űrügynökség ( https://www.esa.int/ESA ) egyik workshopján négy alapvető kiindulópontot határoztak meg, közte volt a biztonságos kommunikáció és a kvantum alapú kódszétosztás.
A kínaiak sikere sokakat motivál; a németek egy repülőgép és egy földi állomás között demonstrálták a kvantum alapú kulcs-szétosztást. Ezt követően jelentette be a németországi Max Plack Kutatóintézet, hogy létrehoznak egy start-up céget, melynek egyik fő terméke a műholdas kvantum-kommunikáció lesz.
https://en.wikipedia.org/wiki/Max_Planck_Institute_for_Extraterrestrial_Physics
2024-re kétmillió dollárt jelent ez a piac, a terület kilépett az alapkutatásból, Magyarország sem maradhat ki. Az amerikaiak 2019-ben indítanak kvantum-kommunikációs műholdat, az európaiaknak 3-5 éven belül lesz hasonló szatellitjük.
https://itcafe.hu/hir/kvantum_fejlesztes_eu.html
Magyarországon néhány éve, Sopronban és a BME-n foglalkoznak egy kvantum alapú műholdas kvantum-csatorna működésének modellezésével. Eredményeit műholdas konferencián mutatták be a közelmúltban, s a műholdas vonalon kapott mérési adatokkal igazolták a szimuláció eredményeit.
Egy másik projekt keretében megépítették az első hazai kvantum alapú kulcs-szétosztó berendezést, amely a BME egyik tanszékén található. Emellett, nemrégiben alapítottak egy hazai, a kvantum technológiára összpontosító start-up céget, amely a piacot célozza. A hazai kvantum-technológiai projekt elindításáért lobbizó közösség a közelmúltban tartott sajtókonferenciát a hazai sikeres indulásról. A projekt 4 éve alatt 3,5 milliárd forintot fordít a magyar állam kvantumtechnológiai kutatásra. Egyik kulcsszereplő a BME, s a projekt egyik célja, szabad térbeli kvantum alapú kulcsszétosztási kutatások folytatása, a megoldás működőképességének felmutatása. Egy-két éven belül komoly eredményekre számítanak.
https://wigner.mta.hu/quantumtechnology/
A kvantum- alapú kommunikációt sokáig csak a kutatók világára értelmezték, az elmúlt évek eredményei bizonyították, nagyon sok olyan eszköz van ami ezen túlmutat. Svájci és amerikai cégek gyártanak ilyen eszközöket, amelyek szál-vezetéken működnek, de most elérkezett a műholdas kvantum kommunikáció hajnala.
Mekkora lehet a tárgyalt kommunikációban a fájlok mérete?
Alapvetően, kvantum-alapú kulcs-szétosztás esetén a kulcsokat csak azért cseréljük ki, hogy utána egy létező szimmetrikus kulcsú titkosító eljárást valósítsunk meg. Mindenki, aki arról beszél, hogy a kvantum alapú kulcs-szétosztás biztonságos, arra hivatkozik, hogy van egy titkosító megoldás, ahol 1-bitnyi információ titkosításához 1-bitnyi kulcsot fel kell használni. Azaz, 1 Gbyte üzenet átviteléhez 1 Gbyte kulcsra van szükségem.
A valóságban azonban senki sem ezt használja, éppen azért, mert a kvantum alapú kulcs-szétosztás sebessége nagyon lassú, 10-20 kbit másodpercenként, így másodpercenként 10-20 ezer bit keletkezik. Egy alacsony pályán keringő műhold 3-6 percig látszódhat megfelelő zenit-szöggel az átvonulása alatt, ennyi dő alatt nem tudunk hatalmas mennyiségű kulcs-bitet átvinni.
https://gyires.inf.unideb.hu/GyBITT/30/ch02s04.html
http://www.agt.bme.hu/tutor_h/terinfor/t31.htm
Ráadásul, a kvantum alapú kulcs-szétosztás több lépésből áll, ezek során bizonyos biteket elveszítünk. Pl., 100 egységnyi jel átvitelekor a hasznos információ bitszáma 10-20 körüli. Emiatt a kvantum alapú bit-szétosztást az alkalmazók valamilyen létező, erős, szimmetrikus kulcsú titkosításra használják. Ilyen titkosító eljárás pl. az AES kódolási eljárása, ami elegendően biztonságos, ha elég gyakran cserélik a biztonsági kulcsokat. Egy alacsony pályán keingő műholdnál elegendő, ha két-óránként elvégezzük ezt.
https://hu.wikipedia.org/wiki/Advanced_Encryption_Standard
A fejlesztés jelenleg egy kvantum alapú, multipont üzemű (több műholdas) kommunikációs hálózat kiépítésére irányul, ami képes kiszűrni a pont-pont alapú megoldások támadhatóságát. Érdemes megjegyezni, mivel a kvantum informatika világában tökéletes másolat nem készíthető, ezért ilyen üzemmódban az optikai szálon erősítőt sem tudunk alkalmazni.
https://gyires.inf.unideb.hu/GyBITT/30/ch08s02.html
http://www.termeszetvilaga.hu/otka/bacsardi.pdf
http://titan.physx.u-szeged.hu/~benedict/kvantumkripto.pdf
Harmat Lajos
