Kwantowy sprzętowy generator liczb losowych opracowali naukowcy z Instytutu Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej. Ich rozwiązanie może być wykorzystane nie tylko w wojskowej kryptografii, ale także w bankach czy centrach danych.
Kwantowy sprzętowy generator liczb losowych to rozwiązanie wykorzystujące zjawiska kwantowe do wytwarzania liczb losowych. Należy do grupy tzw. prawdziwych generatorów liczb losowych (True Random Number Generator, TRNG), 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.
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.
Urządzenie jest kluczową częścią dużego projektu dotyczącego technologii kwantowych związanych z dystrybucją klucza kwantowego (Quantum Key Distribution). Kierownik projektu w WAT, płk dr hab. inż. Marek Życzkowski, 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.
Urządzenie zostało 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.
Zaprojektowane rozwiązanie to technologia kwantowa w ścisłym znaczeniu. 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. Nie przystąpi on do pracy, gdy po uruchomieniu nie powiodą się testy inicjalizujące. Takie podejście chroni nas przed z góry wadliwą generacją. Uzyskane 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. Cieszy, że wyszliśmy z fazy laboratoryjnej do gotowego prototypu urządzenia końcowego – przyznaje kierownik projektu.
Oprócz kwantowego generatora liczb losowych opracowano nowoczesne systemy kwantowej dystrybucji klucza oraz układu kodowania fazowego do jednoczesnego przesyłu i ochrony danych. 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. Na początku września generator zostanie zaprezentowany podczas Międzynarodowego Salonu Przemysłu Obronnego w Kielcach.
Dominika Naruszko, źródło: WAT