Využití kvantové mechaniky při ochraně počítačů? Už žádné sci-fi

Čas od času to napadne asi každého, kdo používá počítač. Je komunikace mezi jednotlivými přístroji opravdu bezpečná? Experti připouštějí, že s rozvojem techniky a novými poznatky, se může brzy stát, že se budou muset stávající modely zabezpečení změnit. Co je nahradí? Jednu z cest ukazuje aktuální článek v časopisu Nature Physics, pod nímž je podepsaný i Matej Pivoluska z Ústavu výpočetní techniky MU. Spolu s kolegy z Vídně a Edinburghu přišel na to, jak pro efektivnější obranu využít jeden z jevů kvantové mechaniky.

Aby se mezi sebou počítače mohly bavit, musí se na jedné straně zakódovat informace, která se pošle přes kabel k druhému stroji, který ji dekóduje. „Konkrétně to vypadá tak, že se informace přemění do mikrovlny, která se pošle na wi-fi router, jenž se v jistém momentu připojí na optické kabely, kde se informace zakódují do světla, do fotonu, aby mohla kabelem projít,“ naznačuje Matej Pivoluska obecně celý proces.

Míra bezpečnosti přenosu informace se odvíjí od toho, jak se informace přeměňuje do fotonů. Vědci už dřív zjistili, že by se jim při této přeměně hodilo využívat jev z kvantové fyziky známý jako entanglement, do češtiny překládáno jako zapletení nebo provázání. Jde o zvláštní kvantovou vlastnost, kterou pokud obě částice, které jsou mezi sebou v kontaktu, mají, nejde pak informaci v těchto fotonech vloženou číst ani prolomit. Právě díky zapletení dokážou vytvořit tajný klíč, který mezi sebou sdílí právě jen obě strany komunikace.

Když se chce někdo zvenčí podívat na to, co se mezi oběma stranami odehrává, musí foton takzvaně přečíst. Jenže toto čtení může zároveň změnit stav částice, což se později dá zjistit a tím pádem je jasné, že „se někdo díval“.

V současnosti se v kvantovém zabezpečení využívá toho, že částice nabývají jenom dvou stavů a tedy dvou hodnot – jedniček nebo nul. Zmiňované kvantové zapletení lze ale vytvořit i za pomoci vícedimenzionálních částic, které nabývají až nekonečného množství hodnot, což by znamenalo navýšení kapacity (do jednoho fotonu by se dostalo daleko víc informací) i bezpečnosti.

Vědci o této možnosti vědí už dlouho. „Od její aplikace ale dosud všechny zrazoval fakt, že za pomoci starých metod je příliš náročné a neefektivní zjistit, zda částice vysokodimenzionálním zapletením vůbec disponuje,“ podotkl Pivoluska, co právě ale mění článek, který s kolegy napsal.

Standardně se přítomnost zapletení zjišťuje se složitými výpočty a řadou matematických otázek. Pivoluska a jeho kolegové ale prokázali, že stačí jen dvě matematické otázky, aby se přítomnost tohoto jevu prokázala bez ohledu na to, kolika hodnot částice nabývá.

Z jevu, na který se experti dívali jako na příliš složitý a ekonomicky náročný pro využití v praxi, je tak najednou perspektivní záležitost. „Udělat novou bezpečnostní infrastrukturu je velmi drahé, takže firmy zatím budou určitě používat to, co funguje. Existuje ale jakási hrozba, že to, co funguje, v horizontu deseti až 15 let fungovat přestane, a proto se teď vymýšlí nová generace zabezpečení. Právě využití vlastností kvantové mechaniky je velmi horkým kandidátem,“ sdělil Pivoluska, podle jehož slov se tímto nebo příbuznými jevy zabývají všichni světoví IT giganti typu Microsoft. Takže i pro ně jsou informace z článku v Nature Physics relevantní.

Sám informatik a jeden ze spoluautorů vydaného textu je hlavně rád, že se výsledky povedlo publikovat, navíc v časopisu z řady Nature. Vydání totiž předcházelo skoro rok dlouhé dokazování, že právě navrhovaný postup je použitelný široce a ne jen u fotonů. Podle Pivolusky je právě to nejdůležitější zjištění. „Znovu se tím prokazuje, že kvantové zapletení je jednou z nejdůležitějších vlastností kvantové fyziky, která tak umožňuje vytvářet řadu nových aplikací, přičemž zabezpečení je jenom jedno z možných.“

Masarykova univerzita | Masaryk university