Naukowcy z Instytutu Optoelektroniki WAT zbudowali kwantowy sprzętowy generator liczb losowych. To innowacyjne na skalę światową urządzenie powstało w ramach projektu „Technologie optyczne kryptologii kwantowej do ochrony danych w sieciach teleinformatycznych” realizowanego przez Wojskową Akademię Techniczną (lider) w konsorcjum z TELDAT i NASK Państwowym Instytutem Badawczym. Już we wrześniu generator zostanie zaprezentowany podczas Międzynarodowego Salonu Przemysłu Obronnego 2023.
Kwantowy sprzętowy generator liczb losowych to rozwiązanie wykorzystujące zjawiska kwantowe do wytwarzania liczb losowych. Należy do grupy tzw. prawdziwych generatorów liczb losowych (z ang. TRNG – True Random Number Generator), gdzie o wyniku czy stanach i liczbach losowych decyduje proces fizyczny. Cechami charakterystycznymi takiego generatora są: całkowita nieprzewidywalność każdego kolejnego generowanego bitu, niewrażliwość na zmiany środowiskowe oraz weryfikacja na żywo statusu pracy. Urządzenie zaprojektowane w WAT wykorzystuje zjawiska kwantowe, a pełna losowość wyniku otrzymywana jest poprzez losowy wybór drogi przez foton w sprzęgaczu światłowodowym.
Działanie w trybie czysto kwantowym
W największym uproszczeniu – w urządzeniu takim wygenerowany impuls laserowy niosący paczkę fotonów zostaje stłumiony do poziomu energii poniżej pojedynczego fotonu za pomocą regulowanego tłumika. Następnie taki „pojedynczy foton” w sposób losowy obiera drogę w sprzęgaczu światłowodowym. Na wyjściach sprzęgacza umieszczone są dwa bardzo czułe detektory jednofotonowe. Bity 0 lub 1 generowane są na podstawie odpowiedzi od poszczególnych detektorów.
Współpraca w konsorcjum
Projekt „Technologie optyczne kryptologii kwantowej do ochrony danych w sieciach teleinformatycznych”, w którym oprócz kwantowego generatora liczb losowych opracowano nowoczesne systemy kwantowej dystrybucji klucza oraz układu kodowania fazowego do jednoczesnego przesyłu i ochrony danych, jest realizowany w ramach konsorcjum w składzie: Wojskowa Akademia Techniczna – Instytut Optoelektroniki (lider), TELDAT Sp. z o.o. sp.k. oraz NASK Państwowy Instytut Badawczy. Koncepcję i gotowe urządzenie opracowała w swoich nowoczesnych laboratoriach grupa naukowa Wojskowej Akademii Technicznej, natomiast sterujące elementy elektroniczne od podstaw zostały zaprojektowane i wykonane przez TELDAT. Teraz rozwiązanie jest testowane przez NASK Państwowy Instytut Badawczy.
Gdzie sprawdzi się rozwiązanie?
Urządzenie jest kluczową częścią dużego projektu dotyczącego technologii kwantowych związanych z dystrybucją klucza kwantowego (z ang. Quantum Key Distribution). Kierownik projektu w WAT, płk dr hab. inż. Marek Życzkowski, prof. WAT, podkreśla, że to cenne rozwiązanie pozwalające na niezależność od rozwiązań związanych z software’ową generacją liczb losowych, czyli używających różnego rodzaju algorytmów. Zastosowanie generatora znacznie poprawi jakość rozwiązań końcowych – w tym przypadku systemów do dystrybucji klucza kwantowego. Dotyczy to w przyszłości zestawienia kanału łączności kwantowej na bazie fotonów splątanych i pomiarze stanu Bella. Bez posiadania własnego kwantowego generatora taki pomiar jest praktycznie niemożliwy do prawidłowej realizacji. Jednak to niejedyne jego zastosowanie, ponieważ kwantowy generator liczb losowych może być używany zarówno w wojsku do rozwiązań kryptograficznych, jak i przez podmioty, którym zależy na bezpieczeństwie danych cyfrowych, jak m.in. sektor finansowy, banki, centra danych. Produkt może zostać wykorzystany również do symulacji numerycznych, gier losowych, loterii, badań statystycznych czy też w bezpiecznym druku.
Nowe technologie dzieją się teraz
Urządzenie jest opracowane od podstaw w Wojskowej Akademii Technicznej jako w pełni autonomiczne. Dzięki temu może być wykorzystane wszędzie tam, gdzie bezpieczeństwo stawia się na pierwszym miejscu.
„Technologie kwantowe rozwijane są od kilkudziesięciu lat, ale obecnie, na naszych oczach, widać ich znaczący postęp. Dotyczy to chociażby osiągnięcia supremacji kwantowej przez niektóre technologie komputerów kwantowych czy też pojawienia się w ofercie komercyjnej rozwiązań z zakresu łączności kwantowej. Rozwiązanie, które opracowaliśmy, jest niezależne i w pełni autorskie. Ma m.in. własne oprogramowanie, zaprojektowaną i wykonaną od podstaw elektronikę czy zaprogramowany procesor FPGA. Ta innowacyjność i niezależność w zastosowaniach wojskowych, i nie tylko, jest niezwykle ważna – w przypadku naszego generatora założenia te są zrealizowane w stu procentach. Nie jest to produkt, z uwagi na bezpieczeństwo użycia, nieznajomy, a wręcz przeciwnie – w całkowitym stopniu niezależny od jakiegokolwiek udziału trzeciej strony. Opracowanie autorskiego narzędzia do zastosowań kryptologicznych na potrzeby wojska było jedną z naszych głównych motywacji” – podkreśla płk Marek Życzkowski, kierownik projektu.
Zaprojektowane rozwiązanie to technologia kwantowa w ścisłym znaczeniu. „Ten obszar to właśnie numer jeden badań naukowców z całego świata, a my próbujemy znaleźć się pośród nich. Działamy na pojedynczych fotonach. Proces generacji pojedynczych fotonów, proces synchronizacji czasu w zaprojektowanym przez nas urządzeniu i proces detekcji pojedynczych fotonów same w sobie stanowią ogromne wyzwanie optoelektroniczne. Nasze rozwiązanie jest bardzo innowacyjne – mało kto na świecie realizuje tego typu projekty. Musimy tak dokładnie zsynchronizować czas w urządzeniu, aby mieć pewność, że działa ono w pełni poprawnie. Analizując wyniki, które osiągamy, możemy powiedzieć, że jesteśmy we właściwym miejscu dla stanu techniki kwantowej w obecnym wydaniu” – ocenia płk Życzkowski.
Urządzenie zostało zaprojektowane i wykonane zgodnie z obowiązującą normą AIS 31 w zakresie fizycznych generatorów liczb losowych. Naukowcy przeprowadzili szereg pomiarów i testów badających skuteczność i poprawność jego działania. Jednym z podstawowych parametrów generatorów jest entropia, czyli miara informacji niesionej przez ciąg wyjściowy. Wartość entropii pozwala na rozróżnienie generatorów w pełni losowych od pseudolosowych i zgodnie z normą AIS 31 nie może być niższa niż 7,976 w przypadku generacji 8‑bitowej. W rozwiązaniu opracowanym przez naukowców WAT uzyskany parametr jest kilka rzędów wyższy od wymaganego i świadczy o wysokiej klasie losowości generowanych ciągów.
„Losowość generowanych przez nasze urządzenie ciągów jest stale monitorowana. Nasz generator nie przystąpi do pracy, gdy po uruchomieniu nie powiodą się testy inicjalizujące. Takie podejście chroni nas przed z góry wadliwą generacją. Uzyskane przez nas wyniki – parametry generowanych ciągów losowych – świadczą, że mamy narzędzie do uruchomienia własnych układów kwantowej dystrybucji klucza, w tym kwantowych protokołów komunikacji kwantowej bazujących na fotonach splątanych. To faktycznie jest dla całego zespołu pozytywna motywacja do dalszych prac. Cieszy nas, że wyszliśmy z fazy laboratoryjnej do gotowego prototypu urządzenia końcowego” – mówi kierownik projektu. Podkreślić trzeba, że osiągnięcie tego wyniku nie było łatwe i wymagało ogromnej wiedzy optoelektronicznej oraz doświadczenia w modelowaniu i kontrolowaniu procesów wykorzystujących różne zależności fizyczne.
„Urządzenie jest gotowe i w pełni funkcjonalne, zgodne ze wszystkimi przyjętymi obecnie standardami, a dodatkowo kompatybilne z interfejsami normatywnymi w telekomunikacji. Zaprezentujemy je podczas Międzynarodowego Salonu Przemysłu Obronnego 2023 w Kielcach. Specjalnie na to wydarzenie generator zyskał własny interfejs GUI, czyli graficzny interfejs użytkownika, abyśmy mogli pokazać, jak realizowany jest proces losowości i jak testowane jest to rozwiązanie. Zwyczajowo w urządzeniach tego typu nie stosuje się interfejsów graficznych, dlatego warto skorzystać z tej wyjątkowej okazji i odwiedzić stoisko WAT” – podkreśla płk Życzkowski.
Międzynarodowy Salon Przemysłu Obronnego odbędzie się w dniach 5 – 8 września 2023 r. w Kielcach.
Dominika Naruszko
fot. Katarzyna Puciłowska
W przypadku zainteresowania rozwiązaniem zapraszamy do kontaktu bezpośredniego z Centrum Transferu Technologii WAT:
dr inż. Bogusława Gradzik
broker technologii
Wojskowa Akademia Techniczna
tel. 261 839 088
boguslawa.gradzik@wat.edu.pl
