Panorama: Nejbezpečnější šifru zajistí přírodní zákony

paprsek.gif

Po staletí vymýšlejí lidé způsoby, jak utajit komunikaci pomocí nejrůznějšího šifrování. Už z toho je zřejmé, že žádná z použitých metod nikdy nebyla stoprocentně úspěšná. A odborníci uznávají, že všechny šifrovací systémy lze nakonec prolomit. Už více než dvě desetiletí je ale známo základní schéma zaručující vlastně absolutní bezpečnost šifry. Záruku v tomto případě poskytují samy přírodní zákony, respektive kvantová fyzika. V kvantové kryptografii je ale jedním z hlavních problémů redukce šumu optického signálu. A to je oblast, kterou se zabývá docent Radim Filip z Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci. Za svůj výzkum získal nedávno prestižní ocenění Grantové agentury České republiky.

Radim Filip, foto: autor
Jak si může laik představit takový ´světelný šum´?

"To je velmi jednoduché přiblížit. Když si naladíte rozhlasovou stanici, slyšíte signál velmi krásně. Když naladíte o kousek dál, slyšíte šum. Je to šum elektromagnetického vlnění. Také světlo je elektromagnetické vlnění, jenom o jiné frekvenci."

Přenos informace pomocí optického signálu není žádnou novinkou. Snad všichni občané se už setkali třeba s CD a DVD přehrávači. Jenže jiné zákonitosti platí pro silné optické signály a jiné pro tak nesmírně slabé.

"Optické komunikace jsou založeny na pochopení světla jako objektu, který je popsán klasickou fyzikou, to znamená standardní teorií elektromagnetického pole. Kvantová fyzika ale přichází s oblastí, kdy prudce poklesne intenzita světla. Potom vidíte už jednotlivé fotony. Ty už se nedají standardní teorií elektromagnetického pole, Maxwellovou teorií, vysvětlit. Tyto záležitosti jsou předmětem studia tzv. kvantové optiky. Právě z kvantové optiky vyrostl tento nový obor, který se jmenuje kvantová informace a který se zabývá pozitivním využitím kvantové mechaniky při přenosu informací."

A při přenosech informace pomocí světla, které využívají kvantově mechanických principů, je nesmírně důležité snížit úroveň rušení, které mnohdy o několik řádů převyšuje úroveň vlastního slabého optického signálu. Výsledky výzkumu docenta Radima Filipa mohou nyní najít uplatnění právě už zmíněné kvantové kryptografii. Tu mohou využívat v komunikaci samozřejmě nejen armáda, zpravodajské služby, ale třeba také banky či podniky. Paradoxně i šum může hrát pozitivní úlohu při kvantovém přenosu informací.

"Kvantová mechanika umožňuje v principu bezpečný přenos mezi dvěma uživateli. Umožňuje detekovat libovolný potenciálního odposlech linky. Tím pádem je možné okamžitě přerušit komunikaci, když víte, že jste odposloucháván. To neumožňuje žádná metoda, založená na klasické fyzice. Je to dáno tím, že šum v kvantové mechanice má tu paradoxní vlastnost, že jakmile získáte libovolně malé množství informace, tak on se vždycky někde ve vašem komunikačním kanálu - ve světle, které používáte jako komunikační médium - zvýší. Stačí jen zjistit, že se šum zvýšil a v tom okamžiku víte, že kanál je odposlechnut. Je to něco podobného, jako když máte potrubí a někdo do něj udělá díru. V potrubí vznikne turbulence, která se šíří potrubím. Pokud ji na konci potrubí změříte, máte šanci zjistit, že tam je díra."

Kvantová informace je nová vědecká oblast. Její teoretické základy byly položeny teprve asi před deseti lety. Podle docenta Radima Filipa se tedy dnes ve světě teprve hledají další možnosti aplikace získávaných poznatků přímo v praxi. Kvantová kryptografie je jen takovým skromným začátkem.

"To byla velmi jednoduchá aplikace. Teď se samozřejmě hledá něco mnohem složitějšího. Často je slyšet o kvantových počítačích. To je ale běh na dlouhou trať, možná sto let možná víc. Nikdo nedokáže říci, za jak dlouho, protože tam je řada technologických zádrhelů, technologických problémů, které se musí vyřešit. Tam jsou úlohy o snížení šumu a jeho manipulaci mnohem náročnější, než byly úlohy, které se týkají použití v komunikačních technologiích."

Docent Radim Filip spolupracuje s vědeckými pracovišti v Německu a Itálii. Výsledky výzkumů publikoval v řadě článků v časopisech reprezentujících ve fyzice špičkovou úroveň, především v nejprestižnějších Physical Review Letters a Physical Review A.

"Jelikož jde o základní výzkum, nikdo z nás nedokáže říci, jestli ty výsledky budou za pět let zapomenuty nebo budou za sto let všude kolem nás."

Nebo jestli za ně dostanete Nobelovu cenu?

"(Radim Filip se směje). Ani to nedokáže nikdo říci. To je na tom výzkumu to krásné."