Albert Einsteinre általában a relativitáselmélet és a speciális relativitáselmélet kidolgozójaként emlékezünk, de a német fizikus valójában a kvantumfizikai kutatások pionírja is volt, még ha egyes, korai kvantumelméletekkel meg is gyűlt a baja. Ahogy arról korábban írtunk, Einstein és Niels Bohr között hosszan elhúzódó vita bontakozott ki az 1927-es Solvay Konferencia után, amely során a kvantumelméletek helytálló mivoltát próbálták bizonyítani, illetve megkérdőjelezni az új fizika pionírjai.

Einstein nem tartotta összeegyeztethetőnek az ismert fizikai szabályokkal a kvantumfizika bizonyos jelenségeit, például az összefonódás rendhagyó állapotát,

és ezt a részletesen ki is fejtette tudóstársaival közösen írt tanulmányában, amely később Einstein-Podolsky-Rosen paradoxonként híresült el.

Az általuk vázolt paradoxon arra a tényre világított rá, hogy az összefonódás, vagyis két részecske olyan alapvetően összekapcsolódott helyzete, ami miatt az egyik állapota meghatározza a másikét is, a változása pedig a másik állapotát is megváltoztatja, legyenek bármilyen nagy távolságra egymástól, ellentmond a relativitáselmélet bizonyos tételeinek és ez kérdéseket vet fel azzal kapcsolatban, hogy a kvantummechanikai szabályok vajon elegendőek-e a valóság teljes leírásához.

Az összefonódás, és más, rejtélyes, az intuíciónak szinte ellentmondó kvantumos jelenségek azonban azóta bizonyítást nyertek, sőt, a gyakorlatban is felhasználható módszerek és rendszerek alapjaiként szolgálnak. A kvantumszámítógépek, amelyek az összefonódás révén tudnak sokkal hatékonyabban és gyorsabban működni, mint klasszikus elődeik, éppen emiatt képviselnek egészen új hozzáállást a számítástechnikai rendszerek területén: ezek a gépek bonyolultabbak, “rejtélyesebbek”, és egyúttal sokkal érzékenyebbek is, mint a hagyományos számítógépek, a jövőbeli felhasználásuk pedig rengeteg változást hozhat a tudományos kutatások, az ipar vagy a kommunikáció terén. Pozitív, de akár veszélyes változásokat is.

A kvantumszámítógépek alkalmazásának nagy kockázatát jelenti például a hagyományos módszerekkel végzett titkosítási eljárások feltörésének lehetősége, ami jelentős kiberbiztonsági problémát reprezentál

- ha már a jelenlegi legbiztonságosabbnak tartott RSA-titkosítással védett adatok sem lesznek többé védve a kíváncsi tekintetek ellen, akkor bekövetkezhet a kvantumapokalipszisnek nevezett esemény, “az adatbiztonság korának vége”.

Ezt elkerülendő épülnek azok a rendszerek, amelyek szintén a kvantumvilág folyamatait aknázzák ki a működéshez, hogy védelmet nyújtsanak a kvantumszámítógépek általi fenyegetés ellen, és általában véve egy új módszert biztosítsanak a még biztonságosabb adatátvitelhez. A kvantumkulcsszétosztás (QKD) a jövő nagy ígérete, ami a kvantummechanikára alapozott potokollokkal végzi a titkosítási kulcsok generálását és megosztását, és olyan technikát képvisel, ami (majdnem) tökéletesen véd a külső lehallgatás ellen. A kvantumkulcsszétosztó rendszereket Magyarországon is fejlesztik és tesztelik, többek között a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen, ahol az elmúlt években több mérföldkőnek számító eredményt sikerült elérni a kutatóknak. 2022-ben például az egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Karán egy vezetékes kvantumkulcs-megosztási technológiát teszteltek, amelynek során optikai szálon küldték át fotonok csoportját a Telekom kelenföldi központjából a BME Lágymányoson található épületébe, két kilométer távolságba. A 60-80 fotonból álló csomagok közvetítéséhez az egyetemen kifejlesztett berendezéseket, CVQKD-Alice-t és CVQKD-Bobot alkalmazták.

Szintén 2022-ben jött az újabb áttörés, amikor a fotonok immár sokkal hosszabb távot, 20,813 kilométert tettek meg a két helyszín, a BME I-es épülete és a Wigner Fizikai Kutatóközpont épülete között a másodperc törtrésze alatt. Az idei évben, április 22-én pedig megalkották az első több csomópontos kvantumalapú titkosító hálózatot is, amelyben a kulcsmegosztást egy összesen 80 kilométeres távon, a BME I épülete és Kelenföld, valamint Kelenföld és Székesfehérvár közötti szakaszokon valósították meg.

“Huszonöt éve kezdtünk el foglalkozni a kvantumtechnológiai fejlesztésekkel, és mára elértük az a pontot, amikor az ég felé fordíthatjuk a tekintetünket.”

- mondta el Imre Sándor, a BME Villamosmérnöki és Informatikai Karának dékánja az egyetem tegnapi sajtótájékoztatóján, amelyen egy nagyszabású projekt legújabb állomását és egy ehhez kapcsolódó jelentős beruházást mutattak be a BME osztrák partnerével, a Quantum Technology Laboratories céggel közösen.

A projekt lényege egy műholdas kvantumkulcsszétosztási-rendszer létrehozása, ami egy alacsony Föld körüli pályán keringő műhold és egy földi állomás között közvetíti a jeleket. A műholdas kulcsszétosztás nagy előnye az optikai kábeleken futó rendszerhez képest, hogy sokkal nagyobb távolságokban is működőképes. "A műholdas kvantumkommunikációs rendszernél az alacsony Föld körüli pályán, 300-800 kilométeres magasságban keringő műholdakkal nagyon nagy távolságokat le lehet fedni, ezért is fordul egyre több kutatócsoport figyelme a szabadtéri rendszerek irányába." - mondta el egy korábbi interjúban Bacsárdi László, a BME Mobil Kommunikáció és Kvantumtechnológiák Laboratóriumának vezetője, a qtlabs szerint pedig a műholdak jelentik a leghatékonyabb módszert a globális kvantumkommunikáció elérésére a jelenlegi és rövid távú erőforrásokkal.

A Quantum Technology Laboratories egyik alapítójának, Rupert Ursin, kutatócsapatával együtt több rekordot is elért a kvantumos kísérletek terén: 2004-ben elsőként sikerült szabadtéren, tehát a laboratóriumon kívül fotont teleportálniuk - ehhez Bécsben, a Duna felett, 600 méteres távolságot hidaltak át a teleportáció során, majd 2007-ben 144 kilométer távolságba küldtek összefonódott fotonokat Tenerife és La Palma között.

Ahogy azt Martin Bohmann, a qtlabs munkatársa a sajtótájékoztatón elmondta, a cégnek jelenleg 20 projektje fut olyan nemzetközi partnerekkel, mint az Európai Unió vagy az Európai Űrügynökség, és egyik fő szolgáltatási területüket a műholdas kvantumkulcsszétosztáshoz való OGS (optical ground station) berendezések biztosítása jelenti. Az egymilliárd forintos beruházás keretében megvásárolt földi állomás, ami a BME-re érkezik hamarosan, az Eagle-1 műholddal kommunikál majd, amelyet az ESA felügyel, és amelynek fő célja a QKD rendszerek kiépítésének támogatása Európában.

A műhold lehetőséget ad a biztonságos kvantumkommunikációs rendszerek validálására, és segíti az EuroQCI (European Quantum Communication Infrastructure, az EU kvantumkommunikációs hálózata) fejlesztését is. Az EuroQCI magyar részlege, a QCIHungary a Pro-M Zrt., a BME, az ELTE és a HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont konzorciuma, célja egy biztonságos kvantumkommunikációs gerinchálózat kiépítése Magyarországon, amit a mostani stratégiai fejlesztés is nagyban elősegít.

“Az elmúlt években azon dolgoztunk, hogy a kvantumkommunikációt az elméletből a gyakorlatba vigyük át.

Ezzel az új optikai földi állomással jelentős lépést teszünk a műholdas kvantumkommunikációs kísérletekben való részvételhez és a jövőbeli kvantuminternethez nélkülözhetetlen protokollok továbbfejlesztése felé” - mondta Bacsárdi László a sajtótájékoztatón.

A földi állomás tehát a BME-n, konkrétabban az egyetem I épületének tetején helyezkedik majd el, innen kommunikál az Eagle-1 műholddal, ami a küldetését feltehetően 2026 elején kezdi majd meg, és az állomás is 2026 novemberétől üzemel majd. A beruházás összhangban van az Európai Unió által indított Európai Kvantumkommunikációs Infrastruktúra kezdeményezésével, és jelentős lépés a biztonságos, országokon átnyúló európai kvantumhálózat megvalósítása felé. A projektet az Európai Unió Digitális Európa programja társfinanszírozta, megvalósulását a Közigazgatási és Területfejlesztési Minisztérium támogatta.

A projekt kiemelt szerepet kap majd nem csak a kutatási/kísérleti, hanem az oktatási tevékenységekben is, hiszen ezáltal a hallgatók a legújabb kvantumkommunikációs technológiákat is közelebbről megismerhetik.

“Büszkék vagyunk arra, hogy hozzájárulhatunk a kvantumkommunikációs infrastruktúra kiépítésére irányuló európai erőfeszítésekhez, és hogy kutatóink és hallgatóink számára olyan eszközöket tudunk biztosítani, amelyekkel élen járhatnak ezen a területen”

- mondta el Imre Sándor a projekt kapcsán.

(Fotó: Mester Gyöngyvér/SPOT BME, BME VIK, SES, qtlabs, koto feja/Getty Images, SuttleMedia/Pixabay)