eDICT: kvantumeszközök hitelesítése – úton a megbízható kvantumtitkosítás alkalmazása felé
A Kísérletorientált Eszközfüggetlen Kriptográfia (eDICT) című projekt nemzetközi konzorciumi formában, a (jelenlegi nevén) HUN-REN Atommagkutató Intézet (ATOMKI) részvételével nyert el EU-támogatást 2019-ben.
A hagyományos informatikában az információt egy klasszikus rendszer két lehetséges állapota segítségével kódoljuk, például északi vagy déli polaritással egy mágneses adathordozó adott pozícióján. Kellően fejlett technológiával azonban a kívánt információt egy fizikai rendszer kvantummechanikai állapota segítségével is eltárolhatjuk, illetve a benne rejlő információt igényeink szerint felhasználhatjuk. Egy egyedi foton polarizációja lehet például „vízszintes” (valamilyen kitüntetett irányú), illetve „függőleges” (a kitüntetett irányra merőleges): ez már kvantummechanikai tulajdonság, mivel e két lehetséges állapot (ún. bázisállapot) bármilyen szuperpozíciója is megengedett (amikor a bázisállapotok valamilyen, matematikailag precízen, lineáris kombinációval értelmezett „egyvelege” jellemzi a részecskét). Kvantummechanikai állapotok alkalmazásával az információ közlésére és feldolgozására új, kvalitatíve biztonságosabb vagy gyorsabb módszereket fejleszthetünk ki.
A kvantumkriptográfia, vagyis a kvantummechanikai állapotokat, illetve a viselkedésüket leíró természeti törvényeken alapuló titkosítás azt garantálhatja például, hogy a kommunikáló felek törvényszerűen észreveszik, ha valaki lehallgatja a vonalat. Egy ilyen protokollt lehet részecskék úgynevezett kvantummechanikai összefonódására alapozni, de egyre nagyobb figyelmet kap a technikailag könnyebben kivitelezhető, preparálj-és-mérj (PM) névre hallgató forgatókönyv is. Magát a protokollt az előbbi esetben meg lehet szerkeszteni eszközfüggetlen módon, vagyis amikor kizárólag mérési kimenetelek különböző bemeneti értékek mellett megfigyelhető statisztikájából vonjuk le a következtetéseinket; az utóbbi forgatókönyv azonban valamilyen extra, ám egyszerű feltevést is megkövetel a fizikai rendszerről. Más protokollok egyszerűen feltételezik, hogy többé-kevésbé pontosan ismerjük az eszközeink működését. Ilyenkor – a kriptográfia mellett más kvantumtechnológiai feladatokban is – hitelesítenünk kell az eszközeinket, a hitelesítési eljárás viszont maga is (félig) eszközfüggetlenné tehető, az imént említett kétféle forgatókönyvben.
Alice, a kvantumkriptográfia és kvantuminformáció-elmélet visszatérő karaktere, kvantummechanikai állapotot preparál, hogy elküldje Bobnak, aki mérést végez el rajta (PM forgatókönyv). Sok ilyen, részben különböző fordulót követően a mérési kimenetelekből számított statisztikával hitelesíteni tudjuk az állapotokat és a méréseket is. (Kép: DALL-E, saját prompt)Az ATOMKI-ban dolgozó csoportunk a PM forgatókönyvre koncentrált. Más eredmények mellett sikerült olyan konstrukciókat alkotnunk, amelyekkel ellenőrizhető, hogy (például egy kísérletben) preparált állapotok vagy elvégzett mérések egy halmaza megfelel-e egy szándékaink szerint megcélzott, tetszőlegesen megválasztott halmaznak, feltéve (a félig eszközfüggetlen megközelítésnek megfelelően), hogy a fizikai rendszert leíró bázisállapotok száma ismert. Ez az ellenőrzés egyelőre idealizált, környezeti zajtól lényegében mentes körülmények között működőképes, azonban az ellenőrzéshez megalkotott statisztikai mennyiség alkalmas egyúttal a fizikai valóságban preparált állapotok vagy elvégzett mérések valamilyen kvalitatív tulajdonságának a félig eszközfüggetlen hitelesítésére is. Illusztratív példaként jól megtervezett futtatásokkal kimutattuk, hogy nyilvánosan elérhető kvantumprocesszorokon preparált kvantummechanikai állapotok leírására nem elegendőek a valós számok, hanem a fentebb említett lineáris kombinációk együtthatóit komplex, vagyis valós és képzetes résszel jellemzett számokként kell definiálnunk – feltéve, hogy a releváns bázisállapotok száma kettő, tehát megfelel ezen kvantumprocesszorokat tervező mérnökök szándékának. (Phys. Rev. Lett., New J. Phys.)•
