V době geopolitické nejistoty, rostoucích kybernetických hrozeb a rychlého nástupu kvantových počítačů se bezpečná komunikace stává jedním z klíčových témat současnosti. Systémy, na nichž stojí státní správa, finanční sektor i kritická infrastruktura, jsou čím dál zranitelnější. Právě touto výzvou se inspiruje nový výzkum vědců z katedry optiky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého, kteří ve spolupráci s Dánskou technickou univerzitou (DTU) navrhli nový přístup ke kvantové distribuci klíčů (QKD).
Mechanismus QKD využívá principy kvantové fyziky k bezpečnému sdílení šifrovacích klíčů pomocí kvantových stavů světla. Jakýkoli pokus o odposlech se v takovém systému projeví a lze jej odhalit. Dosavadní QKD systémy však fungují převážně bod–bod: jeden odesílatel, jeden příjemce, jedno spojení. To se v dnešních hustých a dynamických komunikačních sítích ukazuje jako zásadní omezení. Tým z Olomouce a DTU proto přišel s řešením typu „jeden k mnoha“. Navržený protokol umožňuje z centrálního zdroje současně a nezávisle distribuovat kvantové šifrovací klíče více uživatelům. Tento koncept je součástí širší architektury nazvané continuous-variable quantum passive optical network (CV-QPON) – pasivní optické kvantové sítě založené na spojitých proměnných.
Poslední míle
Jedním z hlavních cílů CV-QPON je řešení tzv. problému poslední míle. Zatímco páteřní optické sítě lze relativně dobře zabezpečit, připojení jednotlivých uživatelů – domácností, institucí či firem – je technologicky i ekonomicky náročné. V kvantové komunikaci je tento problém ještě vyhrocenější: kvantové signály jsou křehké a tradiční řešení vyžadují drahé a specializované vybavení pro každý jednotlivý spoj. CV-QPON tento přístup zásadně mění. Místo budování samostatných kvantových spojení propojuje více uživatelů jedním sdíleným kvantovým signálem a využívá standardní telekomunikační hardware. Díky tomu nabízí praktičtější a lépe škálovatelné řešení, zejména pro městské a metropolitní sítě.
„Pokud si kvantovou komunikaci představíte jako řeku, současné protokoly fungují jako posílání zpráv v lahvích,“ vysvětluje jeden z hlavních autorů studie Ivan Derkach z katedry optiky. „Každá lahev je jeden foton, jeden spoj, jeden klíč. My jsme si položili otázku: co kdybychom místo toho dokázali číst samotnou řeku?“
Bezpečnost ve sdíleném světě
Tímto přístupem se vědci dostávají ke kvantové distribuci klíčů založené na spojitých proměnných (CV-QKD). Informace se zde nekóduje do jednotlivých fotonů, ale do spojitých fluktuací kvantového světelného pole – například jeho amplitudy a fáze. Jeden zdroj tak může obsluhovat více příjemců, kteří si ze stejného signálu odvozují své vlastní, vzájemně nezávislé a soukromé klíče.
„Upřednostňujeme jednoduchost, rychlost a kapacitu přenosu informaci, které jsou pro reálné sítě klíčové.“ Vladyslav Usenko
Sdílený signál ale přirozeně vyvolává otázky důvěry mezi uživateli. Autoři protokolu je řeší pragmaticky: bezpečnost není založena na složitých předpokladech o chování ostatních uživatelů, ale na fyzikálně měřitelných veličinách, zejména na amplitudě přijímaného optického signálu. Uživatelé si mohou sami nastavit míru důvěry a úroveň zabezpečení svých klíčů podle konkrétní situace.
„Je to vědomý kompromis,“ říká Vladyslav Usenko z katedry optiky, který vede tým teorie kvantové komunikace. „Upřednostňujeme jednoduchost, rychlost a kapacitu přenosu informaci, které jsou pro reálné sítě klíčové.“
Spolupráce s Dánskou technickou univerzitou
Výzkum vznikl v rámci dvou významných evropských iniciativ, v nichž je Vladyslav Usenko hlavním řešitelem za Univerzitu Palackého: projektu CVStar programu QuantERA, podpořeného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy ČR, a vlajkového projektu Evropské unie v oblasti kvantových technologií QSNP. Klíčovou roli sehrála také spolupráce s Dánskou technickou univerzitou, dodatečně podpořená grantem GA ČR Outgoing Fellowship Ivana Derkacha, která umožnila propojit teoretické návrhy s reálnými možnostmi současných telekomunikačních sítí.
„Pomohli nám udržet návrh při zemi,“ říká Radim Filip, vedoucí skupiny teorie kvantové optiky na UP. „Cílem bylo vytvořit základní protokol, který nebude fungovat jen na papíře, ale bude respektovat omezení skutečné optické komunikace.“
Silnou stránkou CV-QPON je jeho kompatibilita se stávající optickou síťovou infrastrukturou. Nevyžaduje exotické zdroje ani speciální detektory, což výrazně zvyšuje šanci na jeho budoucí využití v praxi.
Jak se kvantové technologie postupně přesouvají z laboratoří do reálného světa, bude řešení problémů, jako je bezpečná a škálovatelná „poslední míle“, čím dál naléhavější. Práce vědců z katedry optiky Přírodovědecké fakulty UP, publikovaná v prestižním časopise Light: Science & Applications od Nature, ukazuje, že kvantová komunikace nemusí být jen výsadou izolovaných spojů – může být sdílená, praktická a připravená pro skutečné sítě.