Magyar kutatók kvantumkulccsal titkosított rádióüzeneteket váltottak a Margit híd két oldaláról. A látványos kísérlet csak egy a hazai kvantumtechnológiai fejlesztések közül. Megnéztük, hol tart a kutatás a kvantumszámítógépek, a kvantumkommunikáció és a szenzorok területén, és miért kell már most felkészülnünk a kvantumkorszakra.
A kvantumszámítógép még nem az a gép, amely holnap lecseréli a laptopunkat, a kvantumtechnológia azonban már kilépett a tudományos elméletek világából. A fejlesztések a számítástechnikától a biztonságos adatátvitelen át a rendkívül pontos mérési eljárásokig számos területen hozhatnak változást.
Magyarországon is egyre több konkrét eredmény születik: épül a kvantumkommunikációs infrastruktúra, a kutatók pedig már egy hétköznapi rádiós üzenetküldő hálózaton is sikeresen tesztelték a kvantumos kulcsszétosztást.
A technológia jelentőségét nemcsak az új számítási lehetőségek adják. Egy kellően fejlett kvantumszámítógép a jelenleg széles körben használt titkosítási eljárások egy részét is veszélybe sodorhatja. A világ kutatóintézetei, technológiai vállalatai és kormányzatai ezért egyszerre keresik a kvantumtechnológia gyakorlati alkalmazásait és a biztonságra való felkészülés lehetőségeit.
Miben más a kvantumbit, mint a hagyományos bit?
A kvantumszámítástechnika megértéséhez érdemes egy pillanatra visszalépni a hagyományos számítógépek világába. A mai digitális eszközök a bitek segítségével dolgoznak, amelyek értéke vagy nulla, vagy egy. A kvantumszámítógépek információs alapegysége ezzel szemben a kvantumbit, röviden qubit.
A qubit egyik különleges tulajdonsága a szuperpozíció: a mérés előtt a nulla és az egy állapotának kvantummechanikai kombinációjában lehet. A méréskor azonban egy konkrét eredményt kapunk. Egy másik fontos jelenség a kvantum-összefonódás, amelynél több qubit olyan közös kvantumállapotba kerül, hogy az egyes részecskék állapotai már nem írhatók le egymástól függetlenül.
E két jelenség teszi lehetővé, hogy a kvantumszámítógépek bizonyos számítási problémákat egészen más módon közelítsenek meg, mint a hagyományos gépek. Ez azonban nem jelenti azt, hogy minden feladatot gyorsabban oldanának meg, vagy általánosan kiváltanák a mai számítógépeket. Az előny elsősorban meghatározott, különösen összetett problémáknál jelentkezhet. A kvantumgépek nem egyszerűen minden lehetséges választ kipróbáló, univerzálisan gyorsabb számítógépek.
A legnagyobb lehetőségek között tartják számon az összetett molekulák és anyagok viselkedésének modellezését, egyes optimalizálási feladatok megoldását, illetve olyan számításokat, amelyek a hagyományos rendszerek számára rendkívül nagy erőforrásigényűek. A gyógyszerkutatástól az új anyagok fejlesztésén át az ipari folyamatok optimalizálásáig több ágazatban is megjelenhetnek ezek az alkalmazások.
A technológia ugyanakkor még komoly mérnöki kihívások előtt áll. A qubitek rendkívül érzékenyek a külső környezeti hatásokra, a zajra és a hőmérséklet változásaira, ami hibákat okozhat a számításokban. A megbízható, nagyobb rendszerek kialakításához ezért a kvantumbitek stabilizálása, a hibák kezelése és a működés pontosabb ellenőrzése egyaránt szükséges.
A kvantumtechnológia ráadásul nem csak a számítógépekről szól. Három fő fejlesztési irányát a kvantumszámítástechnika, a kvantumkommunikáció és a kvantumérzékelés jelenti. Mindhárom más-más problémára kínálhat megoldást.
Itt tartanak a magyarországi kutatások
A magyarországi kutatások összehangolásában az elmúlt hat évben meghatározó szerepet játszott a HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont koordinálásával, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, valamint az Eötvös Loránd Tudományegyetem részvételével működő Kvantuminformatika Nemzeti Laboratórium.
A laboratórium záró szimpóziumán résztvevők áttekintették az eddigi eredményeket és a további fejlesztési lehetőségeket. A program lezárása azonban nem jelenti a hazai kutatások végét. Az elmúlt években létrehozott infrastruktúra és a felhalmozott tudás a következő fejlesztési szakasz alapja lehet.
A kvantumszámítógépek fejlesztésében a kutatások a hardverektől a szoftverekig terjednek. A BME szakemberei félvezető és szupravezető rendszerek kombinálásával új típusú, szilárdtestalapú kvantumbiteken dolgoznak. A Wigner Fizikai Kutatóközpontban a kvantumszámítógépek működésének modellezését és minősítését vizsgálják, főként a működés közben fellépő hibákkal és zajokkal kapcsolatban.
Az ELTE kutatói fotonikus kvantumszámítógépek alkotóelemeit, algoritmusokat és szoftvereket fejlesztenek. Munkájuk egyik eredménye a Piquasso, amely a fotonikus kvantumszámítógépek működését szimulálja, így a kvantumalgoritmusok hagyományos számítógépeken is tesztelhetők.
A kutatások egyik ígéretes iránya a kvantumrendszerek és a mesterséges intelligencia összekapcsolása. Ez a későbbiekben összetett adatok feldolgozásában és időben változó folyamatok előrejelzésében is új lehetőségeket teremthet.
A gyakorlati alkalmazásokhoz azonban bővíteni kell a kvantumszámítási erőforrásokhoz való hozzáférést, és szorosabb együttműködésre van szükség az egyetemek, kutatóhelyek és ipari szereplők között. Ezt szolgálhatja a Kvantumtechnológia és Szuperszámítógép Platform, a QSCP kezdeményezés is.
Fontos kutatási terület a kvantumszenzorika és a kvantumkommunikáció is
A második nagy kutatási terület a kvantumszenzorika. Ezek az eszközök a kvantumrendszerek különleges érzékenységét használják fel fizikai mennyiségek mérésére. A Wigner Fizikai Kutatóközpont és a BME kutatói többek között gyémántalapú és atomi kvantumszenzorokat fejlesztenek, amelyek rendkívül gyenge mágneses terek érzékelésére is alkalmasak lehetnek. A megoldások az ipari méréstechnikában, az anyagvizsgálatban és az orvosi diagnosztikában egyaránt hasznosíthatók lehetnek.
A harmadik terület, a kvantumkommunikáció már konkrét hazai hálózatfejlesztésekben is megjelenik. A BME kutatói vállalati partnerekkel többcsomópontos kvantumkommunikációs hálózatot hoztak létre, és szabadtéri optikai kísérleteket is végeztek.
A QCIHungary projekt Magyarország hozzájárulása az Európai Unió EuroQCI, vagyis az európai kvantumkommunikációs infrastruktúra kezdeményezéséhez. A hazai konzorcium tagjai a Pro-M Zrt., a BME, az ELTE Informatikai Kar és a HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont. A fejlesztés a Budapestet Győrrel és Szegeddel összekötő kvantumkommunikációs gerinchálózat alapjait teremti meg. A következő lépések között szerepel a szomszédos országok hasonló hálózataival való összeköttetés kialakítása is.
A fejlesztés egy újabb fontos eleme a műholdas kvantumkommunikáció előkészítése. A BME-re november elején érkezett meg a QCIHungary projektben készülő optikai földi vevőállomás kupolája és a hozzá tartozó, 80 centiméter átmérőjű távcső. A rendszer további elemeinek telepítésével a tervek szerint 2027-ben már műholdakkal is képessé válik kvantumos információcserére. Ez a fejlesztés a nagytávolságú, akár országhatárokon és kontinenseken átívelő biztonságos kulcscsere lehetőségét is megteremtheti.
A hálózatépítésben a távközlési szolgáltatóknak és az infrastruktúra-fejlesztőknek is szerepük lehet. A Magyar Telekom az elmúlt években saját hálózatán több eszközzel végzett kvantumkommunikációs teszteket, a Netvisor pedig olyan hálózattervező szoftvert fejlesztett, amely segíthet az új infrastruktúra mérnöki tervezésében.
Világelső kísérlet kvantumos kulcsszétosztással létrehozott titkosítókulcsra
A hazai fejlesztések gyakorlati jelentőségét különösen jól érzékelteti egy október végén végrehajtott kísérlet. A HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont és az ELTE Informatikai Kar kutatói a QCIHungary projekt keretében kvantumos kulcsszétosztással létrehozott titkosítókulcsot alkalmaztak egy nyilvános Meshtastic rádiós üzenetküldő hálózaton. A kutatók tudomása szerint a világon elsőként védtek ilyen módon Meshtastic-üzeneteket.
A Meshtastic egy nyílt forráskódú, rövid szöveges üzenetek továbbítására szolgáló rádiós rendszer. Mesh, vagyis szövevényhálózatos felépítésű: a készülékek egymás között továbbítják az üzeneteket, ezért nincs szükség telepített hálózati infrastruktúrára. A LoRa technológia pedig alacsony energiafelhasználás mellett viszonylag nagy hatótávolságú kommunikációt tesz lehetővé.
A kísérlet lényege az volt, hogy a kutatók nem közvetlenül a rádiós hálózaton próbáltak kvantumüzeneteket továbbítani. Ehelyett a kvantumkulcs-szétosztó rendszer segítségével mindkét oldalon hozzáfértek ugyanahhoz a titkos kulcshoz, majd ezt használták a rádióüzenetek védelmére. A kulcsot magát nem küldték át a rádióhálózaton, csak az azonosítóját továbbították, amely alapján a másik fél is lekérhette ugyanazt a kulcsot.
A két kutató a pesti Szent István körút, illetve a budai Széll Kálmán tér felől indult egymás felé. Először mintegy 1,2 kilométeres távolságból váltottak üzeneteket, majd a Margit híd két hídfőjétől is sikeresen kommunikáltak. Az egyik üzenet az volt: „Physics enlightens the world!”, vagyis „A fizika megvilágítja a világot!”, amire a válasz az „Indeed!”, azaz „Úgy bizony!” lett.
A próbát mozgás közben is folytatták. A kutatóközpontba visszafelé tartó buszról további üzeneteket küldtek, amelyek közül kettőt a mintegy négy kilométerre hagyott rádió is vett. A hálózat eközben a megszokott módon működött, más budapesti Meshtastic-felhasználók készülékei is továbbították az üzeneteket. A megfelelő titkosítókulcs nélkül azonban azok tartalma nem volt olvasható.
A kísérlet azért jelentős, mert megmutatta: a kvantumkommunikációs infrastruktúrában létrehozott kulcsok már meglévő, széles körben hozzáférhető kommunikációs technológiákkal is összekapcsolhatók. Ez fontos lépés lehet abba az irányba, hogy a kvantumbiztonsági megoldások ne kizárólag speciális laboratóriumi vagy zárt hálózati környezetben legyenek alkalmazhatók.
Már most veszélyben vannak a nyilvános kulcsú titkosítási eljárások?
A kvantumtechnológia fejlődésének van egy olyan következménye is, amely már most komoly feladat elé állítja a digitális gazdaság szereplőit. A kellően fejlett kvantumszámítógépek ugyanis képesek lehetnek feltörni a ma széles körben használt nyilvános kulcsú titkosítási eljárások egy részét.
Ez nem azt jelenti, hogy a jelenlegi kvantumszámítógépek már alkalmasak lennének erre. A szükséges teljesítményű, megbízható gépek létrehozása még jelentős technológiai kihívás. A lehetséges fenyegetés azonban olyan nagy, hogy a védekezés előkészítését nem lehet az utolsó pillanatra hagyni.
A szakmai közbeszédben Q-Daynek nevezik azt a még bizonytalan időpontot, amikor megjelenhet az első olyan kvantumszámítógép, amely képes feltörni a ma használt nyilvános kulcsú titkosítások egy részét.
Az NMHH szakértői szerint azonban nem ennek az időpontnak a pontos megjóslása a legfontosabb, hanem az addig rendelkezésre álló felkészülési idő megfelelő kihasználása. Ezt az időszakot Q-Periodnak nevezik.
A felkészülés sürgősségét fokozza az úgynevezett „gyűjtsd be most, fejtsd vissza később” (harvest now, decrypt later) típusú fenyegetés. Ennek lényege, hogy egy támadó már ma megszerezheti és eltárolhatja a titkosított adatokat, abban bízva, hogy a jövőben rendelkezésére álló számítási kapacitással visszafejtheti azokat. Különösen azok az információk lehetnek veszélyben, amelyeknek hosszú ideig kell bizalmasnak maradniuk.
A védekezés kettős iránya – mire jó a PQC és a QKD?
A védekezésnek két fontos iránya van, amelyeket érdemes egymástól megkülönböztetni. A posztkvantum-titkosítás, vagyis a PQC olyan matematikai eljárásokat alkalmaz, amelyeket a hagyományos számítógépek mellett a jövőbeli kvantumszámítógépek támadásaival szemben is ellenállónak terveznek. Ezek a megoldások a mai számítógépeken, a meglévő digitális infrastruktúrába beépítve is működhetnek.
A kvantumos kulcsszétosztás, azaz a QKD ezzel szemben a kvantumfizika törvényeit használja fel ahhoz, hogy két távoli fél közös titkos kulcsot hozzon létre. A módszer egyik fontos sajátossága, hogy a kulcs létrehozásának folyamatába történő lehallgatási beavatkozás megváltoztathatja a kvantumállapotot, így elvileg észlelhetővé válik.
A két technológia tehát nem ugyanazt tudja, és nem is egyszerűen helyettesíti egymást. A posztkvantum-titkosítás matematikai alapú védelem a kvantumszámítógépek ellen, a QKD pedig fizikai alapú kulcselosztási megoldás. Az NMHH szimpóziumán a szakértők a kettős védelem, vagyis a két megközelítés együttes alkalmazásának jelentőségét is hangsúlyozták.
A felkészülés nemcsak technológiai, hanem szabályozási kérdés is
Az Európai Unió 2025-ben elfogadott kvantumstratégiáját követheti a készülő European Quantum Act, amelynek célja a kontinens versenyképességének erősítése ezen a stratégiai területen.
A jogszabály előkészítésének ismert fő irányai a kutatás és innováció ösztönzése, az európai ipari kapacitások bővítése, valamint a kvantumtechnológiai ellátási láncok biztonságának és ellenálló képességének erősítése. A szabályozás még készül, de már az előkészítés is jelzi, hogy az EU a kvantumtechnológiát nemcsak tudományos, hanem gazdasági és technológiai szuverenitási kérdésnek tekinti.
A magyar szabályozásban is el kell különíteni a kvantumkulcs-elosztás és a posztkvantum-titkosítás felügyeleti kérdéseit. Az NMHH szakértői szerint a fizikai alapú kvantumkulcs-szétosztás az elektronikus hírközlés körébe tartozik, míg a posztkvantum-titkosítás szabályozása a kiberbiztonsági törvény alapján a Szabályozott Tevékenységek Felügyeleti Hatóságának hatáskörébe tartozik.
A távközlési szolgáltatók számára a felkészülés már most elkezdődött. A Magyar Telekom az elmúlt években saját hálózatán is végzett kvantumkommunikációs teszteket. Nagy Péter műszaki vezérigazgató-helyettes szerint a vállalat a hálózati tapasztalatát, infrastruktúra-kapacitását és mérnöki tudását kutatói partnerekkel együttműködve kívánja hasznosítani a kvantumalapú megoldások fejlesztésében. A felkészülés egyik fontos célja, hogy a kvantumszámítógépek korában is biztosítható legyen az ügyfelek, az infrastruktúra és az adatok védelme.
A bankok, a távközlési vállalatok, a közigazgatás, az energetikai és más kritikus infrastruktúrák működtetői számára mindez azt jelenti, hogy már most érdemes felmérniük, milyen titkosítási rendszereket használnak, milyen hosszú ideig őrzik az általuk kezelt érzékeny adatokat, és milyen ütemben tudnak áttérni a kvantumbiztos megoldásokra.
A kvantumszámítógépek kora még nem érkezett el teljesen, de a felkészülés már elkezdődött. A magyar kutatók eredményei pedig azt mutatják, hogy ebben a technológiai versenyben itthon sem csupán a távoli jövő lehetőségeiről beszélünk.
*A cikk elkészítésében AI-alapú eszköz is közreműködött.
