Start spre viitor pentru Quantec, centrul național de referință în domeniul comunicațiilor cuantice
Implementarea cu succes a proiectului Quantec, coordonat de Institutul de Științe Spațiale (ISS) alături de Agenția Spațială Română (ROSA) și alți șapte parteneri, pune la dispoziția comunității științifice și de afaceri din România un instrument valoros pentru dezvoltarea competențelor naționale în domeniul comunicațiilor cuantice. În urma unei investiții de peste 1,5 milioane de euro, derulată în decursul ultimilor doi ani, noul centru include trei laboratoare echipate cu tehnologii de ultimă oră care trasează parcursul complet de la știința fundamentală a comunicațiilor cuantice până la testarea și validarea unor aplicații practice, atât pe latura echipamentelor specializate, cât și în zona software.
Abordarea pragmatică a proiectului a concentrat efortul investițional în direcția cu cea mai mare utilitate din domeniul comunicațiilor cuantice, tehnologia QKD (Quantum Key Distribution), care permite transferul sigur al informațiilor strategice folosind chei cuantice de criptare. Este un segment de mare actualitate din domeniul comunicațiilor cuantice, susținut de proiecte importante implementate pe plan local și european, de la inițiativa de dezvoltare a unei infrastructuri naționale de comunicații cuantice, până la pașii făcuți deja în cadrul misiunii SAGA (Security And cryptoGrAphic mission) a Agenției Spațiale Europene (ESA), care pregătește lansarea unor sateliți dedicați distribuirii cheilor cuantice, mai întâi la nivel experimental, apoi în deplină integrare cu rețeaua terestră europeană de comunicații cuantice. Natura practică și polivalentă a noului centru Quantec este reflectată de diversitatea partenerilor implicați în proiect – proveniți în egală măsură din mediul academic, comunitatea de cercetare și sectorul privat –, drept urmare pune bazele unei infrastructuri deschise pentru educație, cercetare și inovație, în cadrul căreia se va forma o nouă generație de specialiști în comunicații cuantice și care va facilita validarea proiectelor, echipamentelor și soluțiilor din acest domeniu, inclusiv cele propuse de integratorii de soluții de comunicații și operatorii de telecomunicații.
Cu toate că promisiunea fenomenelor cuantice prefigurează salturi tehnologice semnificative, ilustrate mai ales de potențialul atingerii unor viteze de calcul foarte mari cu ajutorul calculatoarelor cuantice, traseul către aceste performanțe are încă numeroase necunoscute de ordin teoretic și tehnic. Dincolo de eforturile depuse pentru identificarea unor soluții adecvate pentru aceste necunoscute, fie că vorbim despre dezvoltarea unor algoritmi adaptați pentru Quantum Computing sau despre configurarea condițiilor fizice specifice pentru operarea unui calculator cuantic, tehnologiile cuantice au deja o aplicație practică extrem de importantă în domeniul criptării, oferind o alternativă mai sigură la standardul curent, care favorizează cheile de criptare asimetrice. Doar că acestea sunt vulnerabile chiar și la nivelul actual de putere de calcul și pot fi sparte relativ ușor în ipoteza prelucrării lor cu ajutorul unui calculator cuantic. În cazul tehnologiei QKD, argumentul de siguranță al cheilor asimetrice – faptul că ai două chei de criptare, una publică și una privată, ultima nefiind împărtășită cu nimeni – este irelevant, fiindcă principiile cuantice îți permit să identifici instantaneu dacă transmiterea unei chei simetrice de criptare a fost compromisă sau nu. Mai mult, transmiterea unei chei simetrice solicită mai puține resurse de calcul și se conformează astfel la limitările actuale de viteză ale comunicațiilor cuantice.
În contextul avansului accelerat al digitalizării și al migrării informației în mediul online și în cloud, securizarea transmiterii datelor este un aspect strategic de maximă importanță pentru toate statele lumii, iar dezvoltarea unor capabilități în domeniul comunicațiilor cuantice a devenit esențială pentru implementarea tehnologiei QKD, ca prim pas în direcția explorării tuturor aspectelor legate de revoluția cuantică. Tocmai de aceea, înființarea centrului Quantec înscrie România în avangarda criptării și rețelelor de comunicații cuantice, ca fundație pentru un domeniu de viitor, care poate fi plasat sub umbrela suveranității naționale. Miza acestui demers este evidențiată și de componența mixtă a consorțiului care a implementat proiectul Quantec: alături de ISS și ROSA, parteneriatul a inclus Universitatea Politehnică București, Academia de Tehnică Militară „Ferdinand I”, Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare în Informatică – ICI, Romanian InSpace Engineering (start-up inițiat de o echipă de cercetători care au făcut parte din colectivul ISS) și companiile Trans Sped, Control Data Systems, Terrasigna.
Atelierul de concepte
Unul dintre cele trei laboratoare înființate în cadrul proiectului Quantec abordează la nivel elementar componentele de bază ale comunicației cuantice, fotonii. Laboratorul de optică cuantică pornește la drum cu trei experimente dedicate: Quantum Eraser – demonstrează câteva aspecte fundamentale din mecanica cuantică, în mod particular fenomenul corelării fotonilor (entanglement); un demonstrator QKD; un interferometru Michelson. „Practic, aici avem o sursă de fotoni corelați, produși cu ajutorul unui cristal PPKTP (Periodically Poled Potassium Titanyl Phosphate), care emite perechi de fotoni cu direcții de polarizare corelate, când ai recepționat unul, știi ce este al doilea: dacă unul ajunge cu o anumită orientare și celălalt nu este recepționat cum trebuie, atunci știi că cineva s-a interpus în comunicare”, explică dr. Eugeniu Mihnea Popescu, conducătorul laboratorului ISS de Astrofizică, Fizica Energiilor Înalte și Tehnologii Avansate.
„La nivelul Quantec, acesta este un experiment care dovedește existența perechilor de fotoni corelați, astfel încât să poți înțelege intuitiv mecanismul din spatele generării acestor fotoni”, spune Eugeniu Mihnea Popescu. „Este blocul de bază ca să înțelegi mai târziu cum se face comunicația cu acești fotoni corelați.”
Echipamentele sunt atât de sensibile, iar experimentele atât de delicate, încât echipa ISS a trebuit să ecraneze cablurile cu fibră optică cu folie de aluminiu pentru a îndepărta orice zgomot din cadrul experimentelor. Dar comunicațiile cuantice pot fi făcute și cu fotoni individuali (single photon), foton cu foton, nu doar cu perechi corelate, de aceea laboratorul este echipat și pentru experimente single photon, derulate cu ajutorul unui laser pulsat. „Indiferent dacă îți bazezi comunicația cuantică pe fotoni corelați sau individuali, când ajungi la conceptul de foton, când vorbești despre polarizare, domeniul nu mai este atât de accesibil tuturor,” precizează Eugeniu Mihnea Popescu. „Pentru a opera în acest domeniu, e nevoie de o schimbare de mentalitate, de paradigmă la nivel tehnic, de aceea unul dintre obiectivele Quantec a fost de a contribui la instruirea și perfecționarea specialiștilor din comunicații.”
Însă laboratorul de optică cuantică include și o sursă de fotoni corelați într-o configurație deosebită, folosind un interferometru de tip Sagnac, ca parte a unei strategii de racordare a activității Quantec la inițiativele europene în domeniul comunicațiilor cuantice. În cadrul programului de dezvoltare a unei rețele europene de comunicații cuantice (EuroQCI – European Quantum Communication Infrastructure), ESA și-a asumat segmentul spațial, programul SAGA, urmând să lanseze sateliți care vor utiliza configurația Sagnac pentru a comunica cu stațiile de la sol. După cum menționează dr. Flaviu Răducanu, fost președinte ROSA, sursa de fotoni corelați în geometrie Sagnac va susține procesul de evaluare a necesităților tehnice pentru realizarea unei stații de comunicație cu sateliții Eagle, care vor fi lansați în programul SAGA: „Sperăm să putem realiza pe cont propriu o astfel de infrastructură, o stație terestră de comunicații cuantice. Va fi un proiect distinct, dar aici, la Quantec, va putea fi implementat.”
A și B în dialog
Pe scena activităților criptografice, actorii tradiționali sunt Alice, Bob și Eve. Alice vrea să comunice securizat cu Bob, iar Eve încearcă să intercepteze mesajul. Cheile de criptare pot să împiedice intervenția lui Eve până la un anumit punct, dar dacă codul de criptare a fost spart, sunt puține șanse ca Alice sau Bob să își dea seama că linia lor de comunicație a fost compromisă. Situația este cu totul diferită în comunicațiile cuantice, pentru că orice încercare de a intercepta mesajul cuantic are ca rezultat deformarea perechilor de fotoni corelați. Ce pleacă de la sursă, trebuie să ajungă intact la destinație; orice abatere înseamnă că cineva este „pe fir”.
Laboratorul de chei cuantice distribuite din cadrul centrului Quantec operează exact în acest spațiu, pe baza unei investiții de 1,0 milion de lei în două servere specializate – Alice și Bob – care comunică prin kilometri de fibră optică înfășurată pe mosoare pentru a simula condiții de utilizare cât mai apropiate de realitate. Pentru că tehnologia QKD prin fibră optică are o limitare: mesajul transmis cu ajutorul fotonilor își păstrează proprietățile pe o distanță de până la 150 km. Dincolo de acest prag, ai nevoie de încă un cuplu Alice-Bob pentru a susține comunicația.
Cum investiția în astfel de servere este consistentă (și expune sistemul la riscul „capturării” fizice a unui astfel de nod de comunicație), Quantec oferă două soluții complementare: în laboratorul de chei cuantice distribuite ai posibilitatea de a testa și valida soluții, aplicații și echipamente înainte de a face o investiție în sisteme de comunicații cuantice, iar, pentru a depăși limitările terestre ale comunicării prin fibră optică, centrul profită de al treilea laborator, cel de testare a soluțiilor de comunicații cuantice pentru sistemele satelitare, unde pot fi puse la încercare și alte opțiuni de comunicație în spațiu liber (free space), cum ar fi conexiunea directă între două puncte la sol în condiții optime de vizibilitate pentru emiterea/recepția de fotoni.
Serverele Alice-Bob din laboratorul centrului Quantec formează un sistem avansat de comunicație cuantică, fiind configurate în regim „white box”, adică se poate interveni la nivel software pentru dezvoltarea, testarea și perfecționarea unor aplicații, a unor soluții personalizate, în funcție de prioritățile fiecărui utilizator.
„Nu este vorba doar despre faptul că putem realiza o comunicație cuantică între A și B”, spune Eugeniu Mihnea Popescu, „noi ne putem conecta atât la Alice, cât și la Bob, pentru a testa diverse configurații, lucrăm cu un strat suplimentar de funcționalități pentru a da naștere propriei aplicații de gestiune, astfel încât să avem o soluție individualizată de comunicație cuantică.”
În plus de medierea dialogului dintre Alice și Bob, laboratorul de chei cuantice distribuite dispune și de un generator cuantic de numere aleatorii, care pot fi utilizate pentru numeroase aplicații economice, un serviciu care asigură o potențială sursă de venituri pentru Quantec. Coordonatorul Centrului, dr. Sorin Ion Zgură: „În mod normal, portalul care gestionează serverul de generare de numere cuantice aleatorii oferă acces liber pentru mediul academic, de pildă, în baza unor convenții și protocoale de colaborare. Dar am dezvoltat în paralel o aplicație care creează token-uri pentru acest generator, iar pentru cei interesați putem elibera astfel de token-uri contra cost. Totul jurnalizat transparent, cu termen de valabilitate, cu date precise și număr de accesări.”
„Faptul că am gândit Quantec drept un centru național de referință în comunicații cuantice nu este întâmplător”, adaugă Flaviu Răducanu: „Când un utilizator extern își dorește o legătură de comunicații cuantice, poate veni aici să își testeze soluția, descoperă cum funcționează schimbul de chei, cât de stabilă este aplicația, cum operează parolele de acces. Aici are tot ce îi trebuie.”
Cu privirea înălțată spre cer
În logica utilizării cât mai eficiente a resurselor institutului, așa cum este aplicată de directorul Sorin Ion Zgură, Quantec funcționează complementar cu Centrul Spațial ISS, drept urmare laboratorul de testare a soluțiilor de comunicații cuantice pentru sistemele satelitare profită de o serie de echipamente care au fost transferate recent din blocul turn al Institutului de Fizică Atomică în imobilul care adăpostește acum cele două centre.
De aceea, deși o parte din investițiile proiectului Quantec s-au îndreptat spre echipamente optice care să susțină activitățile de cercetare-dezvoltare în comunicațiile optice free space, la intrarea în laborator privirea este atrasă mai degrabă de impresionantul shaker, unitatea profesională pentru teste de vibrații. Are un regim de lucru cuprins între 5 Hz și 3.000 Hz, dar „de la peste 1.000 Hz deja crezi că ai de-a face cu un motor cu reacție”, explică dr. Sorin Ion Zgură. Este un echipament furnizat de o companie daneză, lider mondial în acest domeniu de nișă, dar care a avut nevoie de o fundație specială pentru a absorbi vibrațiile. „Am avut un proiect de cercetare care a identificat soluția optimă pentru această fundație, care integrează o placă masivă de oțel și un covoraș special din fibre carbonice. Dar, chiar și în aceste condiții, când pornim shakerul, se lucrează doar cu căști antifonice.”
Printre alte echipamente pentru proiecte spațiale care existau înainte de lansarea proiectului Quantec, dar care vor contribui cu siguranță și pe planul dezvoltării comunicațiilor cuantice, se regăsește și camera curată: calitatea aerului din această încăpere sterilă este monitorizată non-stop, cu o rigurozitate asemănătoare tuturor proiectelor de mare anvergură conduse de ESA. „Lucrul cu Agenția Spațială Europeană impune un set extrem de strict de reguli și proceduri, nimic nu este plasat în orbită fără ca întregul proces să fie complet monitorizat și validat”, explică dr. Sorin Ion Zgură.
Apoi mai este o cameră termică în vid, care poate varia temperatura de lucru de la -90 de grade până la circa 250°C. Dacă este folosit un echipament adițional care introduce în sistem azot lichid, temperatura poate fi redusă până la -150°C.
„Aceste echipamente nu au fost gândite pentru Quantec, dar ar putea fi folosite fără probleme pentru validarea de sisteme pentru comunicații cuantice în spațiu”, spune dr. Sorin Ion Zgură.
Complementaritatea acestor resurse de cercetare-dezvoltare cu cele achiziționate special în cadrul proiectului Quantec susține obiectivul strategic de a pune la punct în România o stație terestră de recepționare a semnalului cuantic transmis de sateliții SAGA. Eugeniu Mihnea Popescu: „Ca să poți recepționa fără interferențe semnalul unui satelit ai nevoie de un sistem optic performant, trebuie să asiguri o aliniere perfectă între un telescop și satelit, iar noi vrem să evaluăm, între altele, care este efectul alinierilor imperfecte asupra calității semnalului.”
„Revenim la natura acestei investiții ca centru național de referință”, adaugă Flaviu Răducanu: „dacă vrem să avem o stație la sol, atunci trebuie să experimentăm, să testăm soluții, configurații, echipamente. Comunicația cuantică prin fibră optică are anumite limitări, iar dacă dorim să comunicăm direct cu Parisul, de exemplu, singura soluție viabilă este satelitul. Vor fi multe astfel de stații terestre în Europa și ar fi bine să nu rămânem pasivi în dezvoltarea acestei infrastructuri strategice.”
Saltul cuantic. Pas cu pas
Unul dintre obiectivele inițiativei Quantec – cel legat de natura educațional-formativă a centrului – s-a materializat chiar înaintea maturizării formale a proiectului: în această vară a fost susținută o lucrare de licență despre numerele cuantice aleatorii, elaborată în urma unei colaborări cu echipa ISS implicată în dezvoltarea centrului. Dar efectele apariției Quantec nu se opresc la acest nivel.
Centrul este deja angajat în procesul de dezvoltare a unui prototip „free space optical link”, o soluție de conexiune optică fără fir pentru comunicații cuantice. Demersul este integrat în planurile de înființare a unei rețele naționale de comunicații cuantice, RoNaQCI, care la rândul său va fi integrată în infrastructura europeană de acest tip.
De asemenea, Quantec este complementar efortului național de elaborare a unei strategii pentru dezvoltarea capabilităților naționale în domeniul comunicațiilor cuantice (QTSTRAT), proiect coordonat de Universitatea Babeș-Bolyai din Cluj-Napoca.
Desigur, centrul Quantec nu este singura entitate de cercetare din România implicată în comunicații cuantice, însă este probabil cea mai evoluată infrastructură națională de acest gen, care cuprinde întregul lanț valoric al domeniului, de la fundația experimentală pentru descoperirea și însușirea noțiunilor de bază până la testarea și validarea integrată a soluțiilor software și hardware.
„Este același principiu ca pentru picătura de ploaie sau fulgul de zăpadă”, spune Flaviu Răducanu. „Ca să apară este nevoie de un nucleu de agregare. Comunicațiile cuantice se află acum într-un moment critic, ai tot ce îți trebuie, dar încă nu ai soluții comerciale pe scară largă, nu ai specialiști formați în domeniu. Quantec permite coagularea unui ecosistem de expertiză națională – ingineri, programatori, cercetători – care să aducă împreună mediul academic, efortul de cercetare și inovația industrială într-un domeniu cu un potențial imens.”
Precondițiile pentru succesul Quantec nu pot fi puse la îndoială, dar evoluția sa depinde decisiv de cel puțin doi factori: implementarea dinamică de noi proiecte în comunicațiile cuantice și adoptarea unei viziuni pe termen lung, coerentă și constantă, care să asigure dezvoltarea sustenabilă a unui domeniu strategic de avangardă.
Pe partea legată de proiecte, procesul este deja în mișcare: alături de investițiile în proiectul continental EuroQCI, Comisia Europeană a lansat programul IRIS2, care va duce la lansarea unei mega-constelații de sateliți meniți să asigure comunicații securizate și care va avea o componentă dedicată cheilor cuantice. Mai mult, echipa ISS a prezentat în cadrul unei campanii ESA de propuneri de idei o inițiativă de cercetare în direcția comunicațiilor cuantice free space cu ajutorul dronelor sau al baloanelor ridicate la mare altitudine, în straturile superioare ale atmosferei. O astfel de soluție ar fi o soluție complementară pentru comunicațiile satelitare, dar ar asigura în egală măsură o infrastructură suverană, dinamică pentru comunicații cuantice evoluate. Cât privește viziunea pe termen lung, rămâne de dovedit dacă potențialul și promisiunea comunicațiilor cuantice vor fi fructificate pe deplin pe plan local prin fapte concrete, decizii strategice și investiții pe măsură.
Tags: Cercetare, ISS, stiinte spatiale, tehnologii cuantice, comunicatii cuantice, tehnologii spatiale, Quantec, chei cuantice, optica cuantica
Parerea ta conteaza:
(0/5, 0 voturi)