Revista >> Ianuarie - Februarie 2022 [Nr. 241] >> Cercetare & Invatamant superior

Quantec, proiectul care propulsează România în arena internațională a comunicațiilor cuantice

Radu Ghitulescu

10 Februarie 2022

Institutul de Științe Spațiale (ISS) coordonează începând de anul trecut realizarea primului Centru național de referință în domeniul comunicațiilor cuantice – Quantec –, proiect câștigat prin concurs alături de Agenția Spațială Română (ROSA) și alți șapte parteneri. Am discutat cu dr. Sorin Ion Zgură, directorul ISS, și cu dr. Flaviu Răducanu, director Știință și Tehnologie în cadrul ROSA, despre modul în care noul centru va reuni expertiza și dotările deținute deja de institut, precum și despre cum va putea să le valorifice într-un domeniu relativ nou în România, creând o infrastructură deschisă atât către entitățile locale private, cât și către proiectele internaționale de cercetare.

Tehnologiile cuantice au devenit în ultimele luni un subiect tot mai prezent în mass-media. De unde această creștere a interesului și de ce acum?
Dr. Flaviu Răducanu: Lumea a devenit tot mai interesată pentru că există promisiunea teoretică cel puțin că folosind fenomenele cuantice putem realiza salturi foarte mari în anumite domenii tehnologice. De exemplu, pe zona de Quantum Computing se speră să se obțină viteze de calcul foarte mari. Nu e chiar atât de simplu însă, deoarece calculatoarele cuantice sunt încă foarte scumpe pentru că folosesc temperaturi foarte scăzute pentru operare. O altă provocare o reprezintă partea teoretică, de matematică și formalizare, pentru că algoritmii pe care îi folosim pentru a rezolva probleme cu un calculator secvențial, folosind sistemul binar, nu mai sunt valabili și pentru calculatoarele cuantice. Prin urmare, mai avem încă de parcurs un drum destul de lung, atât tehnologic, cât și teoretic, pentru a putea obține rezultate utile.

Și atunci, de ce un subiect încă „teoretic“ a devenit atât de intens dezbătut în prezent?
Dr. Flaviu Răducanu: Toate marile puteri tehnologice ale lumii încearcă să câștige o poziție dominantă în această competiție acerbă deoarece una dintre aplicațiile cele mai importante ale tehnologiilor cuantice este criptarea, care a devenit extrem de importantă în contextul dezvoltării economiei digitale și al migrării noastre accelerate în mediul online și în Cloud. Sistemele actuale de criptare, care utilizează chei asimetrice, sunt vulnerabile și pot fi sparte chiar și utilizând calculatoarele de acum. Dacă se utilizează însă chei simetrice de criptare, lungimea acestora poate fi oricât de mare și, prin urmare, vor fi foarte dificil de spart. Și aici intervine în scenă tehnologia de criptare cuantică – sau mai corect spus Quantum Key Distribution (QCD) – care stabilește și distribuie chei de criptare foarte complexe, folosite ulterior în comunicația electronică de zi cu zi. Iar spre deosebire de domeniul calculatoarelor cuantice, distribuția cheilor cuantice de criptare pentru criptarea simetrică se poate realiza deja. Calculatoarele cuantice mai au încă nevoie de un parcurs teoretic și tehnologic destul de lung, dar criptarea cuantică se poate face și de aceea tot mai multe țări depun eforturi să își creeze propriile capabilități de folosire a comunicațiilor criptate în acest mod.

Quantec, un pas concret spre viitor

Se numără și România printre ele?
Dr. Sorin Ion Zgură: România a fost încă la început interesată de acest domeniu al criptării și al rețelelor de comunicații cuantice. Proiectul Quantec, de realizare a primului Centru național de referință în domeniul comunicațiilor cuantice, este un pas concret în această direcție. Proiectul este realizat de un consorțiu condus de ISS și reunește atât entități din domeniul cercetării și mediul academic – precum Agenția Spațială Română (ROSA), Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare în Informatică (ICI București), Universitatea Politehnica din București și Academia Tehnică Militară „Ferdinand I“ – , cât și companii private direct interesate de aplicațiile practice ale tehnologiilor cuantice de criptare. De altfel, proiectul propus de consorțiul condus de ISS este gândit să funcționeze ca o structură deschisă, menită să sprijine atât dezvoltarea teoretică, cât și cea aplicativă a tehnologiilor cuantice.
Pentru a susține această abordare, centrul va include trei laboratoare. Primul va fi dedicat zonei de știință fundamentală și de pregătire a specialiștilor, fiind dotat cu bancuri optice și echipamente specifice pentru realizarea de experimente. Al doilea laborator va fi rezervat testării soluțiilor, obiectivul principal al proiectului Quantec și al consorțiului condus de ISS fiind acela de a produce o soluție 100% românească pentru protocolul de comunicații cuantice, soluție care este deja în curs de proiectare și de implementare, urmând apoi fazele de testare și validare. Cel de al treilea laborator este cel de testare a soluțiilor de comunicații cuantice pentru sistemele satelitare, iar aici rolul major revine ROSA. La toate acestea se adaugă un centru de documentare și diseminare, care va fi accesibil atât pentru studenți, masteranzi, doctoranzi și cercetători, cât și pentru utilizatorii din domeniul privat. De altfel, toate facilitățile disponibile la sfârșitul proiectului și echipamentele de top vor permite realizarea de teste nu doar în domeniul comunicațiilor cuantice, ci și în cel al comunicațiilor optice clasice. Astfel, Quantec va fi disponibil atât mediului academic și institutelor de cercetare, cât și utilizatorilor comerciali, funcționând ca un centru de probare de echipamente și testare de soluții.

Mai există inițiative similare la nivel local în domeniul tehnologiilor cuantice?
Dr. Sorin Ion Zgură: În România nu mai există centre precum Quantec, dar au mai existat de-a lungul timpului diverse inițiative. De exemplu, în UPB funcționează deja un laborator de comunicații cuantice, folosit de studenți, masteranzi și doctoranzi. La rândul ei, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca (UTCN) a încheiat anul trecut un parteneriat cu Institutul pentru Tehnologii Izotopice și Moleculare prin care a lansat un curs în domeniul tehnologiilor cuantice la Facultatea de Automatică și Calculatoare a UTCN și altul pentru studenții masteranzi de la Facultatea de Electronică și Telecomunicații. De asemenea, există și un proiect pentru realizarea unei Strategii pentru dezvoltarea capabilităților naționale în domeniul comunicațiilor cuantice (QTSTRAT), care va fi elaborată de Universitatea Babeș-Bolyai și Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor. Quantec reprezintă însă o inițiativă singulară, încă, la nivel național în domeniul tehnologiilor cuantice, care se evidențiază mai ales prin abordarea pragmatică și deschisă propusă.

Atuurile proiectului Quantec

Care au fost avantajele competitive ale proiectului condus de ISS care au determinat câștigarea competiției lansate anul trecut de UEFISCDI?
Dr. Sorin Ion Zgură: Pe de o parte este vorba de valoarea dată de consorțiul reunit sub egida Quantec, de expertiza partenerilor în domeniul proiectelor internaționale de cercetare, precum și de nivelul superior de competențe pe domeniile necesare realizării proiectului. Pe de altă parte, faptul că noi, ca institut, și partenerii noștri reprezentăm un eșantion al beneficiarilor finali ai proiectului ne-a ajutat să avem o abordare nișată și pragmatică, plecând de la necesități obiective, cerințe de utilizator și nevoi tehnice concrete în elaborarea ofertei. Totodată, a contat și faptul că, din start, Quantec a fost gândit ca o structură deschisă care să permită racordarea centrului la diverse rețele internaționale de cercetare. Deja din toamnă am intrat în legătură cu Agenția Spațială Europeană (ESA) pentru implicarea centrului Quantec în Misiunea SAGA și în toate inițiativele ESA privind comunicațiile cuantice. De asemenea, suntem în curs de a stabili contacte și cu alte organisme internaționale și vizăm realizarea de memorandumuri de înțelegere cu diverse instituții cu preocupări similare, atât din Europa, cât și din SUA, Japonia sau Coreea de Sud. Nu în ultimul rând, a contat și expertiza ISS în domeniul comunicațiilor optice în atmosferă liberă, precum și experiența acumulată în proiecte concrete. Cum este, de exemplu, cel prin care institutul va realiza în cadrul Misiunii europene LISA (Laser Interferometer Space Antenna) echipamentul de poziționare a celor trei sateliți ce vor fi amplasați pe orbita terestră într-un triunghi echilateral cu latura de 2,5 milioane kilometri și care vor trimite fascicule laser de la unul la altul. Avem, deci, o experiență solidă în domeniul de comunicații optice de mare finețe și cu cerințe foarte drastice.

Rolul ROSA în cadrul Quantec

Care sunt atribuțiile ROSA în cadrul proiectului Quantec?
Dr. Flaviu Răducanu: Rolul ROSA este pe segmentul spațial din proiect, de realizare a experimentelor, utilizând infrastructura ISS și sateliții lansați de ESA.
Distribuția cheilor cuantice se realizează pe bază de fotoni. Cel mai simplu mod de realizare a distribuției este cel folosind fibra optică – avem deja astfel de rețele și în România, dar fibra e un mediu destul de puțin prietenos cu „delicatețea“ stărilor fotonului și nu permite transmisia cuantică pe lungimi mai mari de câteva zeci de kilometri. Ori asta pune din start o mare limitare și necesită montarea, din loc în loc, de repetori, care creează însă zone de vulnerabilitate, domeniul fiind foarte sensibil la capitolul securitate. De aceea, una dintre modalitățile avute în vedere la nivel internațional este folosirea ca mediu de propagare pentru fotoni a spațiului liber, punctul din care se distribuie cheile cuantice fiind plasat în spațiu. Astfel, dacă se utilizează un satelit pentru distribuția cheilor, fotonii trebuie să treacă doar prin 10-15 kilometri de atmosferă, restul fiind vid, respectiv spațiu liber cu foarte puține perturbații, ceea ce permite obținerea unei calități a transmisiei net superioară, pierderile și erorile fiind mult mai mici decât în oricare alt mediu. În acest sens, ESA a demarat încă de acum cinci ani pregătirea Misiunii SAGA prin care vor fi lansați mai mulți sateliți, la început experimentali, iar după aceea operaționali, care să distribuie chei cuantice. Pentru aceasta este nevoie însă nu doar de sateliți, ci și de stații terestre dotate cu telescoape de urmărire a sateliților, pe care sunt montați senzori și generatori specifici, care permit comunicația optică pentru stabilirea cheilor. Iar aicine ajută foarte mult preexistența unor infrastructuri din dotarea ISS, reprezentate de sistemele de telescoape de urmărire, darși de centrul de GRID Computing al institutului. Astfel nu mai este necesară o investiție suplimentară, nici în receptorii optici de lasol și nici în capacitatea de calcul. Alături de colegii de la ISS reușim să agregăm ceea ce deținem deja și să valorificăm dotările și nivelul superior de expertiză în noua infrastructură Quantec.

Lungul drum către EuroQCI

Aminteați de inițiativele europene în domeniu, iar una dintre acestea este crearea European Quantum Communication Infrastructure (EuroQCI), România semnând încă din 2020 acordul de participare la construirea infrastructurii. Quantec va deveni parte a EuroQCI?
Dr. Flaviu Răducanu: Obiectivul final al inițiativei EuroQCI este ca în statele membre și între ele, la nivelul UE, să fie construită etapizat o rețea de comunicații și distribuție de chei cuantice care să permită ca autoritățile statelor și ale Uniunii, instituțiile financiar-bancare și orice entitate publică sau privată care folosește informații critice să aibă acces la astfel de criptări sigure. Pentru aceasta, în EuroQCI a fost cooptată și ESA, care nu este organism al UE. Se prevede că primii doi sateliți ai Misiunii SAGA – Eagle 1 și Eagle 2 – să fie puși la dispoziția statelor UE, indiferent dacă sunt sau nu membre ESA, pentru a le permite să experimenteze distribuția de chei prin satelit. Se impune însă din nou o precizare: EuroQCI nu este o infrastructură construită de UE, ci o inițiativă în care un rol important îl vor avea statele membre, fiecare fiind invitat și sprijinit să își construiască propria infrastructură și să își dezvolte propriile competențe. Domeniul comunicațiior cuantice este încă unul de pionierat peste tot în lume și de aceea este extrem de importantă și deschiderea centrului Quantec către industria românească, în special către actorii din IT și comunicații, dar și către start-up-uri. Astfel, Quantec va face legătura foarte concret între proiectele locale și infrastructurile europene care se construiesc acum, iar faptul că avem deja stabilită o colaborare directă cu ESA, precum și contribuția la Misiunea SAGA ne asigură o poziție avantajoasă în competiția internațională pentru segmentul spațial.