Međunarodni uspjeh znanstvenika s Instituta Ruđer Bošković u Zagrebu

Kvantni fizičari s Instituta Ruđer Bošković (IRB) bili su dio međunarodnog tima znanstvenika koji je otkrio i eksperimentalno realizirao kvantnu komunikacijsku mrežu s više korisnika koju je nemoguće špijunirati. Veliko je to otkriće i značajan korak prema potpuno sigurnoj i zaštićenoj mrežnoj komunikaciji. Rezultati ovog značajnog znanstvenog otkrića objavljeni su u prestižnom znanstvenom časopisu Science Advances.

Uz hrvatske znanstvenike, međunarodni tim istraživača činili su znanstvenici sa Sveučilišta u Bristolu (Velika Britanija) i kolege s Instituta Austrijske akademije znanosti (IQOQI).

– Hrvatski dio tima dao je svoj doprinos istraživanju osmišljavanjem, dizajniranjem i izradom optičkih prijamnika – korisničkog dijela komunikacijske opreme u kvantnoj mreži, objašnjava dr. sc. Martin Lončarić, jedan od autora na radu i znanstveni suradnik u Laboratoriju za fotoniku i kvantnu optiku Zavoda za eksperimentalnu fiziku na IRB-a. Uz njega, hrvatski tim znanstvenika čine dr. sc. Mario Stipčević, voditelj Znanstvenog centra izvrsnosti za napredne materijale i senzore (CEMS) na IRB-u te Laboratorija za fotoniku i kvantnu optiku te Željko Samec, član CEMS-a i tehničar Radionice Zavoda za fizičku kemiju IRB-a. Ključne instrumente i uređaje za provedbu eksperimenta izradili su upravo djelatnici Radionice ZFK-a.

Najdragocjenija roba

U današnje doba, kada su informacije najdragocjenija roba, međusobna sigurna komunikacija od ključnog je značaja. Ipak, klasično zaštićena komunikacija ne omogućuje potpuno sigurno komuniciranje jer se za svaku vrstu klasične komunikacije može pronaći način na koji treće osobe mogu otkriti informacije.

– Klasična komunikacija, na primjer ona koja nam donosi internet u kuću, koristi makroskopsku količinu  električne ili svjetlosne energije za svaki bit informacije koji se prenosi kroz komunikacijski kanal (žica, svjetlosni vodič,…). Konkretno, bitovi se prenose tako da se jedan prilično jaki laser uključuje (vrijednost bita je 1) ili isključuje (vrijednost bita je 0). Stoga je vrlo lako odvojiti mali dio signala i neopaženo prisluškivati. S druge strane, kvantna fizika uči nas da tvar i energija imaju najmalje količine – kvante. Kvantna komunikacija odvija se na način da se svaki bit informacije prenosi samo jednim kvantom. U našem slučaju bit, ili da budemo posve točni kvantni bit – qubit, prenosi se najmanjom količinom svjetla koju zovemo foton. Budući da je foton nedjeljiva veličina, u svrhu prisluškivanja moramo odvojiti cijeli qubit i uništiti ga, a zakoni kvantne fizike ne dopuštaju da se qubit prije toga vjerno kopira kako bi se mogao vratiti u komunikacijski kanal, objašnjava nam prednosti kvantnog interneta dr. sc. Mario Stipčević.

Pojednostavljeno, kvantnu komunikaciju je nemoguće je špijunirati, presresti, dekodirati, hakirati zato što se očitavanjem/prisluškivanjem te komunikacije qubiti nepovratno uništavaju, a to se očituje kao primjetna smetnja u komunikaciji. To omogućuje da se informacija koju je dobio prisluškivač odbaci i tako on ostaje bez ikakve informacije o onome što prisluškuje.

Za razliku od klasične, kvantna komunikacija koristi zakone kvantne fizike kako bi zajamčila potpunu i dugoročnu sigurnost razmjene informacija. Ipak, razlog što kvantna komunikacija još nije masovno zaživjela i što danas još uvijek nemamo kvantnu tehnologiju u svojim domovima je taj što je bilo nevjerojatno komplicirano izgraditi veliku i lako proširivu kvantno zaštićenu komunikacijsku mrežu. Zbog toga su postojeće kvantne mreže, poput one koja povezuje Peking i Šangaj, ograničene u broju korisnika i vrlo skupe.

Korisno i špijunima i kućanicama

Spomenuti međunarodni tim znanstvenika, uz pomoć hrvatskih kolega, uspio je, kombinacijom kvantne prepletenosti (spregnutosti) fotona i standardnih telekomunikacijskih tehnika, stvoriti kvantnu mrežu osam korisnika koja se proteže kroz grad Bristol putem svjetlosnih vodiča, jednakih onima koji se koriste i za “običan” Internet.

Iako su principi kvantne komunikacije vrlo dobro poznati, problemi vezani za umrežavanje više korisnika te stabilnost veze kroz dulji vremenski period, predmet su brojnih znanstvenih i tehnoloških istraživanja. Ovom timu znanstvenika, na čelu s dr. sc. Siddarthom K. Joshiem sa Sveučilišta u Bristolu, prvima je pošlo za rukom pronaći rješenje problema u obliku otkrića kvantne mreže u koju je jednostavno uključiti veći broj korisnika.

Ako iz primjene maknemo tajne službe i filmske špijune, kvantni internet zapravo će biti primjenjiv u svakodnevnome životu, svakome od nas, ističe Stipčević:

– Gotovo svaka osoba na svijetu, a pogotovo u razvijenim zemljama poput naše, koristi kriptografski zaštićenu komunikaciju nebrojeno puta u toku dana, a da toga vjerojatno nije ni svjesna. Primjerice, kod običnog telefonskog razgovora, pristupa e-mailu, plaćanja beskontaktnim karticama, podizanju novca na bankomatima, e-bankingu, servisima e-građana, itd. Kvantna kriptografija dostupna široj javnosti omogućit će veću sigurnost od hakerskih napada svih gore spomenutih kao i drugih i novih servisa.

Kvantna prepletenost koju je Einstein nazvao ‘sablasnim djelovanjem na daljinu’ znači da se dvije razdvojene čestice, bez obzira na njihovu udaljenost u Svemiru, ponašaju kao da su međusobno povezane. Ovaj kontraintuitivni fenomen čini osnovu za dramatična poboljšanja, ne samo u sigurnoj komunikaciji, nego i u računalima, senzorima, pri obradi informacija i u mnogim drugim tehnologijama.

– U ovom projektu naša grupa je ključno doprinijela u istraživanju, osmišljavanju i eksperimentalnoj realizaciji optičkog modula koji se nalazi kod svakog sudionika kvantne komunikacije. Doprinijeli smo i sudjelovali u svim fazama istraživanja i provedbe eksperimenta. Konkretna fizička realizacija kvantne mreže koju smo ostvarili u Bristolu je mreža s osam korisnika, što je trenutni svjetski rekord, no koncept kvantne mreže kakav smo osmislili omogućuje i znatno veći broj korisnika. Na ovoj uzbudljivoj temi  nastavljamo raditi i u sljedećem razdoblju, zaključuje naš sugovornik.

Hrvatska uz bok najpametnijima

Tradicionalno, Austrija je predvodnica u kvantnoj informaciji s jakim centrima u okviru Austrijske akademije znanosti u Beču i Innsbrucku. Tu su svakako i SAD gdje je u veljači ove godine vlada odobrila velika sredstva za razvoj kvantne komunikacije, a snažne su i Kanada i Australija. Upravo doznajemo da je Njemačka, kao mjeru oporavka od krize uzrokovane virusom Covid-19, odobrila 2 milijarde eura za razvoj kvantnih tehnologija, a to je tek  dio ulaganja u kvantnu tehnološku revoluciju koja je na pomolu. Međutim, u posljednje vrijeme Kina, koja je posljednjih 10 godina intenzivno slala svoje ljude u najjače svjetske centre i po povratku im praktično davala otvorene ruke u financiranju istraživanja, stasala je u velesilu koja je po nekim pokazateljima u samom vrhu na svijetu po pitanju kvantne komunikacije kako na Zemlji tako i na relaciji Zemlja – Svemir. Poznato je da je Kina izgradila 2000 kilometara ulančane kvantne komunikacije između Šangaja i Pekinga te da su prvi i za sada jedini, putem satelita Micius, ostvarili kvantnu komunikaciju između dvije točke na Zemlji, godine 2017.

Uspjeh znanstvenika s Ruđera Hrvatsku je stavio na lentu vremena među pionire u razvoju ultra-sigurne kvantne komunikacije.

Dr.sc. Mario Stipčević upozorava:

Za znanost izdvajamo najmanje u Europi

Hrvatska u znanost sustavno ulaže najmanji postotak BDP-a u Europi, a uz to naš BDP i jest jedan od najmanjih u Europi. Osim toga, kad god dođe do neke krize u nas, odmah se dodatno steže kravata oko vrata znanosti – suprotno od prakse u razvijenim zemljama gdje se u krizi dodatno financira “mozak” društva, tj. znanost. Stoga nas je zanimalo mogu li i na koji način ovakvi međunarodni projekti, koji vrlo izravno „hrvatsku pamet“ stavljaju na inozemnu mapu, pridonijeti boljem i izdašnijem financiranju od strane države. Dr. sc. Mario Stipčević odgovara da odgovor mora dati Vlada Republike Hrvatske:

– Hrvatski znanstvenici, baš kao i naši nogometaši, pokazuju odlično znanje, razmišljanje “izvan kutije” i junačku motivaciju. No, koliko dugo ćemo uspijevati “driblati” u uvjetima mršavog nacionalnog financiranja znanstvenih istraživanja, dodatno bremenitog suvišnim i kompliciranim administrativnim procedurama javne nabave neprilagođenima potrebama dinamičnih znanstveno-tehnoloških istraživanja – veliko je pitanje. Uz nedostatak novca, to nam je najveća prepreka u radu. Znanstvenici su prisiljeni trošiti veliki postotak svojeg radnog vremena na generiranje papirologije propisane nesvrsishodnim zakonima i pravilnicima. Takva praksa je ubojita za istraživanje i razvoj te nas stavlja u duboko podređeni položaj spram naših kolega u EU koji nemaju takvih problema. Stoga jedan euro za znanost u Hrvatskoj vrijedi manje nego igdje u Europi, a ionako ih imamo mnogo manje. Točno je da uspjesi poput ovoga doista stavljaju našu zemlju na svjetsku mapu, no ima tu jedan još važniji aspekt. Glavna svrha znanosti jest u tome da prikuplja, usvaja i generira nova znanja koja će se putem stvaranja novog visokoobrazovanog kadra raspršiti po zemlji, pretvoriti u nove tvrtke, ekspertize, konkretne usluge ili proizvode. Na taj način znanost može bitno pridonijeti konkurentnosti zemlje u svijetu. U tome je njena prava vrijednost te razlog zbog kojeg su zemlje koje više ulažu u znanost i obrazovanje bogatije i snažnije od onih drugih.