Távolsági rekordot döntöttek a Kvantuminformatikai Nemzeti Laboratórium kutatói

A világban jelenleg is zajló kvantumtechnológiai forradalomban való aktív részvételre nyújt lehetőséget a nemzetközi színvonalú kutatócsoportokat és laboratóriumokat, valamint a széles spektrumon feldolgozott témákat tömörítő Kvantuminformatika Nemzeti Laboratórium, amely közös platformra és célokra épülő szinergiát teremt a tudományos munkában részt vevő szakemberek és a kutatási területeik között.

„A 2020 októberében létrejött Kvantuminformatikai Nemzeti Laboratórium egyik stratégiai célja a magyar kvantumhálózat gerincének kialakítása, mely határokon átívelően kapcsolódik a regionális rendszerekhez. A kvantumfizika elvét felhasználó informatikai hálózatoknak köszönhetően ugyanis biztonságos kommunikációt tudunk folytatni” – hangsúlyozta Dr. Imre Sándor akadémikus, a BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék tanszékvezetője.

A BME Villamosmérnöki és Informatikai Karán közel húsz éve foglalkoznak kvantumkommunikációs kutatásokkal és fejlesztésekkel, így aktívan hozzá tudnak járulni a Nemzeti Laboratórium célkitűzésének megvalósításához. Ennek a különleges világnak a megértéshez villamosmérnökök, fizikusok és informatikusok közös munkájára van szükség. Az egyetemen nagyon büszkék arra, hogy a kísérletekbe alapszakos és mesterszakos hallgatók is be tudnak kapcsolódni, akik így első kézből szerezhetnek gyakorlati tapasztalatot a jövő technológiájáról.

„Több kutatási célt is kitűztünk magunk elé kvantumkommunikációs területen. Kvantum alapú véletlenszám-generátort készítünk, szabadtéri kvantumkulcscsere-rendszert fejlesztünk, és emellett különböző technológiájú vezetékes kvantum alapú kulcsszétosztó rendszereket építünk. Utóbbi területen régóta együttműködünk Wigner Fizikai Kutatóközponttal, s közösen veszünk részt a Nemzeti Laboratórium kapcsolódó tevékenységében is.” – mondta Dr. Bacsárdi László, a BME Mobil Kommunikáció és Kvantumtechnológiák Laboratórium vezetője.

A május 25-i demonstráció során a Kvantuminformatikai Nemzeti Laboratórium munkájában résztvevő két konzorciumi partner, a BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar és a Wigner Fizikai Kutatóközpont között került sor a titkosított kommunikációra. A két intézmény közötti optikai szálas összeköttetést a Magyar Telekom biztosította.

A BME I épülete és Wigner intézet közötti több mint 20 kilométeres távolságot a másodperc törtrésze alatt tette meg a kvantumbiteket hordozó lézersugár. A kvantuminformációkat kiolvasva állítottak elő olyan kulcssorozatot, amelyet fel lehetett használni üzenetek és képek titkosítására. A kvantum alapú kulcscsere nagy előnye ugyanis, hogy kvantumkommunikációt használva két fél között osztunk meg egy olyan titkos bitsorozatot, amelyet utána hagyományos, úgynevezett szimmetrikus kulcsú titkosító algoritmusokban használunk.

„Közel tíz év munkája van a mai hazai távolsági rekord mögött. A mostani demonstrációhoz egy saját fejlesztésű rendszert használtunk, amelyhez a hardvert és a szoftvert is a Műegyetemen készítettük. A készülékeket nagyrészt sztenderd száloptikai komponensekből építettük, a nagy távolságú összeköttetés pedig a Magyar Telekom általános célú optikai hálózatán keresztül valósult meg.” – mondta Dr. Kis Zsolt, a Wigner Fizikai Kutatóközpont munkatársa, aki a műegyetemi fejlesztőcsoportot vezeti.

A Műegyetemen fejlesztett berendezésben egy úgynevezett második generációs kvantumkulcscsere-protokollt valósítottak meg, amely a foton kettős természetéből a hullám tulajdonságot használja ki. A folytonos változójú kvantumkulcsszétosztás során 60-80 fotonból álló fotoncsomagot juttatnak el az egyik végpontból a másikig, majd megmérik a beérkező jelet. Egy nagyon alacsony intenzitású fényáramot kell detektálni, ehhez egy speciális mérési berendezést, úgynevezett homodin detektorokat használtak. A biztonságot pedig a fotonok kvantumos részecske természete biztosítja, mely itt abban nyilvánul meg, hogy nem lehet őket pontosan lemásolni.

A rendszert éles hálózatban Magyarországon először április 29-én tesztelték sikeresen, ekkor a Magyar Telekom által biztosított optikai szálon küldtek át néhány fotonból álló jelet a BME kutatói a Magyar Telekom kelenföldi központja és a BME I épülete között, több mint 2 kilométeres távolságon, felhelyezve ezáltal Magyarországot a kvantumkommunikáció nemzetközi térképére.

A május 25-i demonstráció során több mint tízszer akkora távolságon, egészen pontosan 20,813 kilométeres szakaszon tudták demonstrálni a kvantum alapú kulcsszétosztás működését, ezzel új magyar távolsági rekordot beállítva. A demonstráció során a szöveges üzenetek mellett a projektben résztvevő intézmények logóját küldték át a feltörhetetlen csatornán. A kísérlet sikeressége nem csak azt mutatta meg, hogy nagy távolságokon is megfelelően működik a magyar fejlesztésű kvantumkulcsszétosztó-rendszer, hanem jelentős mérföldkő egy budapesti nagyvárosi kvantumkommunikációs hálózat kialakításához vezető úton.

A demonstrációt az Innovációs és Technológiai Minisztérium és a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal támogatta a Kvantuminformatika Nemzeti Laboratórium keretében.

Borítóképünk illusztráció (Shutterstock)