Kryptografia kwantowa, czyli szyfry nie do złamania

Utworzono: czwartek, 24 luty 2022 Anna Leszkowska Drukuj E-mail

 

 

fot M. Pawlowski 1 M. ByczkowskiO najnowszym wynalazku, kwantowym generatorze liczb losowych, oraz hackerskich atakach z dr. hab. Marcinem Pawłowskim, kierownikiem zespołu kwantowego cyberbezpieczeństwa w Międzynarodowym Centrum Teorii Technologii Kwantowych na Uniwersytecie Gdańskim, rozmawia dr Beata Czechowska-Derkacz

Fizyka kwantowa to trudna i w powszechnym odbiorze dosyć hermetyczna dziedzina nauki. Co pana urzekło w kwantach?

Zajmuję się dokładnie informatyką kwantową, która jest najnowszym odłamem mechaniki kwantowej. Polega na zastosowaniu teorii kwantowej do rozwiązywania problemów w przetwarzaniu informacji. Najbardziej urzekło mnie to, że jest to niezwykle prosty obszar nauki.
Pierwsze pomysły w zakresie badań nad fizyką kwantową pojawiły się w latach siedemdziesiątych, a pierwsze prace – w latach osiemdziesiątych. Badania rozwinęły się w latach dziewięćdziesiątych. Pomysły leżą zatem praktycznie na ziemi i każdy, kto się pasjonuje naukami ścisłymi, może znaleźć coś nowego dla siebie i uzyskać interesujące wyniki, często w krótkim czasie, bo w ciągu kilku miesięcy.
Jeśli porównać badania z zakresu informatyki kwantowej z badaniami z zakresu fizyki wysokiej energii, gdzie nad nowym pomysłem musi latami pracować duży zespół badaczy, to chyba wybrałem dyscyplinę najprostszą i poszedłem po linii najmniejszego oporu.

Podobno fizyka kwantowa niemożliwe czyni możliwym… Co wymieniłby pan jako najważniejsze?

Wszyscy mówią o komputerach kwantowych, ale ja wybrałbym kryptografię kwantową. Wydaje się niemożliwe, aby nie móc przechwycić rozmowy, jeśli odbywa się w publicznej przestrzeni. A dzięki kryptografii kwantowej, mimo że kiedy rozmawiamy, czyli wysyłamy do siebie określone stany kwantowe i każdy może je „oglądać”, jesteśmy w stanie tak zaszyfrować informacje, że nikt nie złamie naszego kodu. I jest na to matematyczny dowód. Klasyczna kryptografia nie umie sobie z tym poradzić.

Jeśli dzięki kryptografii kwantowej możemy coś bezpiecznie zaszyfrować, to wydaje się, że ta sama technologia pozwoli nam na rozszyfrowywanie, a zatem tworzenie na przykład urządzeń szpiegujących.

Ja zajmuję się kwantowym szyfrowaniem i jestem tym „dobrym” w nauce. Mogę mówić żartobliwie, że moi koledzy, którzy zajmują się rozszyfrowywaniem, stoją „po drugiej stronie mocy”… Urządzenia rozszyfrowujące to o wiele potężniejsze narzędzia, wymagające ogromnych pieniędzy. Komputery kwantowe, które powstaną, bo jestem pewny, że to kwestia czasu, będą miały wiele zastosowań, ale główne będą wykorzystywane do łamania szyfrów. I będą raczej dostępne dla wywiadów bogatych państw, nie dla zwykłych hackerów. Jako naukowiec traktuję kwestie cyberbezpieczeństwa bardziej jako ciekawy problem matematyczno-fizyczny. Jeśli chcemy być bezpieczni w cyfrowym świecie, rozwiązania gwarantujące cyberbezpieczeństwo powinny być tanie i dostępne dla każdego. Myślę, że tak w przyszłości się stanie, bo technologie kwantowe rozwijają się coraz dynamiczniej. Sam pracuję nad takimi rozwiązaniami, odpowiadając na społeczne zapotrzebowanie w tym zakresie.

Efektem jest opracowana nowa metoda szyfrowania oraz nowe urządzenie – samotestujący się generator liczb losowych. Na czym polega opracowana przez pana technologia i jak można ją wykorzystać?

Najważniejszym zastosowaniem liczb losowych w cyberbezpieczeństwie jest generowanie kluczy kryptograficznych. Chodzi o to, aby nie można było tych liczb odgadywać, nawet w przybliżeniu. W przeciwnym razie łatwej jest rozszyfrować klucz kryptograficzny i łatwiejsze są ataki hackerskie. Opracowałem metodę szyfrowania opartą na zjawisku interferencji, które jest łatwiejsze do zaobserwowania niż wykorzystywane do tej pory zjawisko tak zwanej kwantowej nielokalności. W mechanice kwantowej interferometr można ustawić tak, aby całe światło skierować w jedną lub w drugą stronę albo po połowie – w obie strony. Jeżeli osłabimy światło do pojedynczego fotonu, nie jesteśmy w stanie przewidzieć jego kierunku. Losowość staje się niemal stuprocentowa.
Urządzenie, w którym zastosowano tę metodę, jest także samotestujące się, a zatem wykrywa i reaguje w czasie rzeczywistym na ataki hackerskie. Wykorzystywane w standardowych urządzeniach samotestujących się wspomniane zjawisko kwantowej nielokalności jest możliwe do zaobserwowania wyłącznie w ekstremalnie niskich temperaturach. Takie urządzania są ogromne, niepraktyczne i bardzo drogie. To kwoty rzędu miliona euro. Zjawisko interferencji jest o wiele łatwiejsze do zaobserwowania i pozwala na miniaturyzację urządzeń. Będą mieściły się w pudełku i kosztowały kilka rzędów wielkości mniej.

Kwantowym generatorem liczb losowych jest zainteresowana chilijska Lotería de Concepción, instytucja, która, uproszczając, jest odpowiednikiem Polskiego Totalizatora Sportowego. Jak wyglądają kwestie produkcji i własności tego urządzenia?

Urządzenie zostało objęte międzynarodowym zgłoszeniem patentowym. Właścicielami są Uniwersytet Gdański oraz chilijski Universidad de Concepción. Ja zająłem się urządzeniem od strony teoretycznej, a mój chilijski kolega, Gustavo Lima, od strony praktycznej. Lotería de Concepción zainwestowała w firmę SeQuere SpA budującą prototyp i jest zainteresowana kupnem tego urządzenia do stosowania w grach losowych. W tej chwili jest ono testowane w ich siedzibie.

Współtwórcą i wynalazcą jest polski naukowiec, ale urządzenie jest testowane w Chile?

Tam znaleźliśmy inwestora. Chile leży w tej części świata, w której ludzie kochają hazard, może dlatego nasze urządzenie zaczyna od takiej trochę „rozrywkowej” branży. Może mieć też zastosowanie w kasynach online. Ale ja chcę się skoncentrować na miniaturyzacji urządzenia, co pozwoli zastosować je o wiele szerzej, przede wszystkim w zakresie cyberbezpieczeństwa. A to są już kwestie, którymi bardzo zainteresowany jest rynek europejski. Kwantowy generator liczb losowych ma w tej chwili wielkość średniej drukarki, a ja chciałbym zminiaturyzować tę technologię do wielkości chipa. Założyliśmy już także w Polsce firmę startupową SeQuere Quantum, która będzie zajmowała się miniaturyzacją.

W jakich innych obszarach, oprócz gier losowych, możemy zastosować samotestujące się generatory liczba losowych?

Wszędzie tam, gdzie ważne są bezpieczna komunikacja i szyfrowanie danych. Ale swoją prawdziwą moc mają szansę pokazać w obszarach komunikacji w zakresie tak zwanej infrastruktury krytycznej – pomiędzy agencjami wywiadowczymi, policją, na poziomie firm energetycznych i w wielu innych newralgicznych obszarach funkcjonowania państwa. Takie bardzo proste i na razie mało bezpieczne, ale już kwantowe, generatory liczb losowych są zamontowane w najnowszym telefonie Samsunga. Jestem pewny, że ta technologia będzie się upowszechniać.

Czy kwantowe rozwiązania w zakresie cyberbezpieczeństwa można zaliczyć, obok nanotechnologii, do tak zwanych kluczowych technologii przyszłości?

Dezinformacja, wojny hybrydowe, to wszystko powoduje, że coraz bardziej zdajemy sobie sprawę z tego, jak ważną sprawą jest cyberbezpieczeństwo. W 2019 roku państwa członkowskie Unii Europejskiej podpisały deklarację w sprawie europejskiej infrastruktury łączności kwantowej – European Quantum Communication Infrastructure (EuroQCI).
Celem jest budowa infrastruktury do kryptografii kwantowej, pokrywającej całą Europę i mającej też dostęp do komunikacji satelitarnej, tak aby do 2027 roku powstał wspólny bezpieczny system. Obrona przed atakami hackerskimi już dzisiaj jest równie ważna jak obrona przez akcjami militarnymi. Wojny militarne są prowadzone, aby zdobyć jakieś terytorium, złoża. Ale dziś najcenniejsze są informacje, wiedza, na przykład na temat nowoczesnych technologii, know-how wielkich światowych firm i tych mniejszych, pracujących nad nowymi rozwiązaniami przyszłości. Militarny najazd na Dolinę Krzemową nie miałby dziś żadnego sensu, ponieważ większość firm, w globalnej gospodarce, przeniosłaby w bardzo krótkim czasie swoją działalność w inne miejsce. Atak hackerski pozwoliłby na pozyskanie bezcennych informacji.

Czy trudno jest w przypadku badacza łączyć badania naukowe z działalnością biznesową?

Zaczęliśmy rozmowę od tego, że mechanika kwantowa jest trudną i hermetyczną dziedziną. To nie jest prawda. Nie jest trudniejsza od jakiejkolwiek innej dyscypliny naukowej czy dziedziny życia. Problem z jej zrozumieniem polega na tym, że całkowicie różni się od wszystkiego, co do tej pory poznaliśmy. Ale po kilku latach pracy nad kwantowymi problemami całość okazuje się dość jasna, zrozumiała i prosta. Dla mnie o wiele trudniejsze jest prowadzenie biznesu, a jeszcze jak dodamy do tego biznes w obszarze technologii kwantowych, dopiero zaczynają się przysłowiowe schody… Na szczęście są ludzie, którzy myślą dokładnie odwrotnie i trzeba ich po prostu znaleźć.

Na Uniwersytecie Gdańskim działa znakomite Międzynarodowe Centrum Teorii Technologii Kwantowych, jedna z nielicznych w Polsce międzynarodowych agend badawczych, a pan jest kierownikiem zespołu kwantowego cyberbezpieczeństwa. Jako Uniwersytet Gdański i szerzej – gdański ośrodek, bo badania prowadzone są także na Politechnice Gdańskiej – nie powinniśmy mieć chyba żadnych kompleksów, jeśli chodzi o światowe badania w obszarze fizyki kwantową. Czuje pan dumę z powodu przynależności do tak wyjątkowego zespołu?

Oczywiście! Jako naukowiec miałem wielkie szczęście. Wydaje się chyba zupełnym przypadkiem, że kiedy w latach dziewięćdziesiątych zaczęła się dynamicznie rozwijać fizyka kwantowa, na Uniwersytecie Gdańskim pojawiło się kilku znakomitych naukowców, którzy prowadzili badania w tym obszarze: profesor Marek Żukowski oraz profesor Ryszard Horodecki, a później także synowie profesora Horodeckiego – Michał i Paweł. Nie tylko wnieśli oni wielki wkład w rozwój tej dziedziny, ale też pozostali w Gdańsku, choć każdy światowy ośrodek przyjąłby ich z otwartymi ramionami. Co więcej, ściągali tu znakomitych naukowców z zagranicy i młodych badaczy, którzy rozwijali tę dziedzinę nauki.
Ja jestem doktorantem profesora Żukowskiego. Obecnie przygotowujemy do pracy w naszym ośrodku trzecią, a nawet czwartą generację młodych naukowców… Mamy publikacje na światowym poziomie i jesteśmy prawdopodobnie największą grupą teoretyków z zakresu informatyki kwantowej na świecie. Zawsze jesteśmy wymieniani wśród najlepszych, a coraz częściej stawiani na pierwszym miejscu. To wielka przyjemność pracować naukowo w takim miejscu.

Nad czym obecnie pan pracuje?

Na brak pracy nie mogę narzekać. Mam świetną grupę badawczą i mogę pracować nad wieloma pomysłami jednocześnie. Jestem w trakcie składania zgłoszenia patentowego na kolejne trzy nowe wynalazki, z czego oczywiście moim ukochanym dzieckiem jest najnowszy z nich. Będzie to urządzenie do jeszcze bezpieczniejszej kryptografii kwantowej – niezależnej od urządzeń, w języku angielskim: device independent. Mamy pomysł na technologiczne rozwiązanie, aby kryptografia kwantowa, niezależna od urządzeń, w których będzie wykorzystywana, była równie prosta, jak standardowa. To oznacza możliwość wykorzystania takiej technologii szyfrowania na poziomie nawet małych i średnich przedsiębiorstw, które muszą się komunikować na ogromne odległości.

Czego można panu życzyć oprócz kolejnych wspaniałych sukcesów?

Chciałbym przenieść te życzenia na kolejne generacje młodych naukowców. Chciałbym im zapewnić takie warunki, jakie zapewniono mnie w moim rozwoju naukowym. Aby mogli pracować we wciąż wspaniale rozwijającym się gdańskim ośrodku i aby ich wynalazki były bardziej zaskakujące, odkrywcze i pożyteczne od moich. I aby kolejne patenty zgłaszali już moi wychowankowie.

Dziękuję za rozmowę.

dr Beata Czechowska-Derkacz jest specjalistą ds. promocji badań naukowych Instytutu Mediów, Dziennikarstwa i Komunikacji Społecznej UG

Odsłony: 192
Our website is protected by DMC Firewall!