Eiropas Savienības līdzfinansētā projektā "European Quantum Communications Initiative" Latvijā tiek veidots Latvijas kvantu tīkls "LatQN", kura mērķis ir uzbūvēt eksperimentālu nacionālo kvantu sakaru tīklu, kā arī izstrādāt un testēt kvantu sakaru tehnoloģijas dažādās nozarēs, kurām droša informācijas pārraide ir īpaši būtiska.
Projekta vadošais partneris un projekta koordinators ir VAS "Latvijas Valsts radio un televīzijas centrs" (LVTRC), privātā sektora partneris ir "Tet", pētniecības partneris ir Latvijas Universitātes Matemātikas un informātikas institūts (LU MII), bet valsts sektora partneris – SIA “Elektroniskie sakari”. Paredzēts, ka šajā astoņu miljonu eiro projektā nacionālais kvantu sakaru tīkls būs gatavs tuvāko mēnešu laikā.
"Līdz gada beigām būs radīts pilnībā strādājošs kvantiskās atslēgu sadales (QKD) tīkls – nevis tāds, kas nostrādājis vienu reizi kaut kur laboratorijā vai pie viena partnera, bet gan pilnībā strādājošs tīkls, ko izmanto dažādi partneri ar dažādām ierīcēm. Kas tāds Eiropā ir reti noticis jau pirmajā tīkla izveides kārtā. Parasti to dara viena organizācija ar viena ražotāja iekārtām. Mums ir trīs partneri, dažādi kvantiskās atslēgu sadales iekārtu ražotāji, katram sava atslēgu vadības sistēma, dažādi šifratori. Esam iztestējuši lielus attālumus. Mēs zinām, uz ko ir spējīga mūsu infrastruktūra. Mēs šo projektu varēsim noslēgt ar augsti paceltu galvu," teic LVTRC vadošais kvantu šifrēšanas inženieris un Latvijas Universitātes Datorikas fakultātes asociētais profesors Leo Trukšāns.
Visvairāk nepieciešams īpaši sensitīvai informācijai
L. Trukšāns stāsta, ka šāds tīkls visvairāk nepieciešams nozarēm, kurām ir daudz sensitīvas informācijas, piemēram, finanšu, medicīnas un aizsardzības nozarei.
"Visdrīzāk, kritiski svarīgos punktos šādas tehnoloģijas parādīsies pietiekami drīz. Bet droši vien būs vēl jāpaiet kādam laikam, lai no vienas pasta nodaļas uz citu pasta nodaļu laukos ietu kvantu tīkls," tā LVTRC Komercdepartamenta vadītājs Kārlis Siliņš.
Vaicāts, cik plašā mērogā šī jaunā infrastruktūra būtu jāuzstāda, viņš teic, ka tas nākotnē visticamāk notiks pa kārtām. Taču vispirms iekārtas uzstādītu tiem, kam drošā informācijas apmaiņa ir vissvarīgākā. Piemēram, Polijā kvantiskās atslēgu sadales tīkls ir uzbūvēts jau ar vismaz 30 savienojumiem, un objekti, kur šie savienojumi atrodas, var būt dažādi – datu centri, torņi, slimnīcas, bankas utt. Šobrīd grūti pateikt, cik šādus mezglus vajadzētu Latvijā, bet L. Trukšāns lēš, ka tie varētu būt 10 līdz 20, lai iekļautu būtiskākos Latvijas infrastruktūras mezglus.
Izstrādā arī savu atslēgu vadības sistēmu
Sākotnēji LVTRC laboratorijas apstākļos uzbūvēja kvantiskās atslēgu sadales tīklu ar trīs mezgliem, kas strādā vienotā sistēmā un lieto liela attāluma optikas savienojumus.
"Šis ir pirmais netriviālais kvantiskās atslēgu sadales tīkls Baltijas valstīs, ko mēs realizējām 2024. gada vasarā," saka L. Trukšāns.
Par triviālu kvantiskās atslēgu sadales tīklu sauc tādu, kur ir viens iekārtu pāris un viens savienojums. Tādu eksperimentu LVTRC un LU MII īstenoja jau 2021. gadā.
Tipiski kvantiskās atslēgu sadales tīkla arhitektūra tiek veidota trīs slāņos. Ir viens vai vairāki kvantiskās atslēgu sadales savienojumi, kam virsū tiek likti uzticamie mezgli (TN) – programmatūra, kas dažādos punktos spēj saņemt atslēgas un nodot tās cauri vienam uzticamajam mezglam uz nākamo. Tam nepieciešamo atslēgu vadības sistēmu (KMS) piedāvā vairāki ražotāji.
"Mēs jau izmantojam “Toshiba” iekārtas un viņiem ir arī sava atslēgu vadības sistēma. Tātad teorētiski mēs varējām pie tā arī palikt, bet tie jau nebūsim mēs, ja nemēģināsim kaut ko vairāk. It īpaši tādēļ, ka mums ir "Toshiba" iekārtas, bet mūsu partneriem šajā projektā – "ID Quantique" iekārtas un atslēgu vadības sistēma, kas savā starpā nesavienojas. Tāpēc uztaisījām savu atslēgu vadības sistēmu un veidojam tā saucamo pārklājuma tīklu, kas nozīmē, ka mēs pa virsu citu ražotāju apakštīkliem veidojam savu vienotu kvantiskās atslēgu sadales sistēmu," stāsta L. Trukšāns.
Viņš ir arī asociētais profesors Latvijas Universitātē, un šī atslēgu vadības sistēma ir tapusi kopā ar viņa studentiem. Tā ir veidota kā atvērtais pirmkods un publicēta "Github" platformā.
"Eiropā ir tikai sešas pašu veidotas atslēgu vadības sistēmas, un viena no tām ir tapusi Latvijā," uzsver L. Trukšāns.
Taču vēl pirms savas atslēgu vadības sistēmas izstrādes un pat pirms pašu iekārtu iegādes LVTRC radīja simulatoru – programmatūru, kas “izliekas” par šīm atslēgu vadības sistēmām.
"Tās savā starpā sinhronizē atslēgas. Protams, ne jau ar kvantu efektiem. Tas notiek ļoti primitīvi, informācijas apmaiņa ir nedroša, bet svarīgākais ir tas, ka mēs jau varam nodrošināt tādu pašu atslēgu pakalpojumu, kā īstas kvantiskās atslēgu sadales iekārtas, un sākt veidot lietojumus kvantiskās atslēgu sadales tīklam vēl pirms īsto kvantiskās atslēgu sadales iekārtu ieviešanas. Piemēram, “Mikrotīkls” šādā veidā ar mūsu simulatoru ir uzbūvēja sev atslēgu lietošanas sistēmu. Reti kad tā ir, ka tev jau ir strādājošs pakalpojums lietotājiem, bet fiziskā infrastruktūra vēl tikai top. Tas mums dod iespēju rīkoties elastīgi un, kad vien tas ir iespējams, aizvietot kādu no simulētajiem kanāliem ar reālu kanālu, pakāpeniski pārveidojot tīklu no simulētas uz reālu infrastruktūru," stāsta L. Trukšāns.
Meklē iespējas turpināt iesākto
Projekta partneri jau tagad strādā pie nākamo projektu pieteikumu izstrādes, lai varētu turpināt iesākto nākamajā līmenī.
"Tam ir jāturpinās, jo kvantu tehnoloģijām ir nākotne," ir pārliecināts L. Trukšāns.
Ir sāktas sarunas ne vien ar uzņēmumiem un organizācijām, kam šāds tīkls būtu nepieciešams Latvijā, bet arī ar potenciālajiem partneriem Zviedrijā, Somijā un Igaunijā, lai radītu šādu tīklu ne vien vienas valsts robežās, bet plašākā reģionā.
"Mums ir izcilas kompetences un prāti, bet viss atduras pret naudu. Eiropas līmenī ir dažādi projektu uzsaukumu konkursi, uz kuriem var pretendēt, bet visos ir ap 50% līdzmaksājums. Tas ir gana daudz. Ielikt 50%, neredzot tūlītēju komercializācijas potenciālu, ir izaicinoši. Man kā LVTRC komercdirektoram ir jāvar pamatot šo investīciju mūsu akcionāriem. Jā, ir nozares, kam kvantu droša saziņa ir aktuāla, bet arī šīm nozarēm ir jāakumulē gan līdzekļi, gan arī jāspēj “nopirkt” ideju, ka šādi kvantu savienojumi vispār būs vajadzīgi. Tas nav viegli, un, zinot valsts budžeta virzību, šādas sarunas būs vēl grūtākas," pieļauj K. Siliņš.
Gatavojas kvantu apokalipsei
Skaidrojot, kāpēc vispār nepieciešams kvantu sakaru tīkls, L. Trukšāns teic, ka tas vajadzīgs, lai nākotnē būtu iespējams droši sazināties. Proti, lai šobrīd konfidenciāli apmainītos ar informāciju, tiek izmantotas simetriskās un asimetriskās šifrēšanas atslēgas. Šobrīd tiek uzskatīts, ka simetriskā šifrēšana joprojām ir droša pret kvantu datoru, bet asimetriskā šifrēšana ir balstīta uz tādām matemātiskām problēmām, kādas kvantu dators spēs uzlauzt. Viens no risinājumiem ir “vienkārši” pagarināt šifrēšanai nepieciešamās atslēgas. Piemēram, šobrīd tās parasti sastāv no 2048 bitiem, bet papildu aizsardzībai var izvēlēties divreiz garāku atslēgu (jo garāka atslēga, jo grūtāk to uzlauzt).
"Iespējamo kombināciju skaits uzreiz pieaug un ir, maigi izsakoties, astronomisks. Piemēram, ja 2048 bitu atslēgu kādreiz varētu uzlauzt vienā sekundē, tad divreiz garākas atslēgas uzlaušanai būtu vajadzīgas vismaz 1012 sekundes jeb 27 tūkstoši gadu. Tātad – ir jādara ļoti maz, lai uzbrucējam šo rēķināšanu padarītu bezcerīgu. Pagarināt atslēgu divas reizes ir samērā vienkārši. Jā, datoram garāku atslēgu lietošana tehniski prasa ilgāku laiku, bet mūsdienu datoros mēs to pat nepamanītu," skaidro L. Trukšāns.
Taču, lai ar šādu atslēgu “tiktu galā” ar kvantu datora palīdzību, uzbrucējiem vajadzēs vienkārši divreiz lielāku kvantu datoru. Un tad vairs nebūs vajadzīgi tūkstošiem gadu, bet gan viens vai divi.
"Un te izjūk mūsu ērtība, ka aizsardzībai ir jādara maz, lai mūsu atslēgas būtu bezcerīgi atšifrēt," uzsver L. Trukšāns.
To dienu, kad gaidāma pašreizējo atslēgu laušanai pietiekami liela kvantu datora parādīšanās, sauc par kvantu apokalipsi. Turklāt šodien pārķertu šifrētu datu plūsmu var ierakstīt un nākotnē atšifrēt – to sauc par “saglabā šodien, atšifrē vēlāk”.
"Un tas ir reāls drauds. Tas, ja kāds pēc gadiem pieciem atšifrēs maksājumu, ar kuru es šodien veikalā pirku minerālūdeni, varbūt nav nekas traks. Tas man nebūs liels zaudējums. Bet ir organizācijas, kurām šodien pārsūtītajai informācijai ir jāpaliek konfidenciālai vēl ļoti ilgi – arī pēc attiecīgas jaudas kvantu datoru parādīšanās. Tām jau vakar vajadzēja sākt uztraukties par kvantu apokalipsi," saka L. Trukšāns.
Tiek prognozēts, ka pietiekami jaudīgs kvantu dators, kas spēs uzlauzt, piemēram, 2048 bitu garas atslēgas, varētu parādīties jau tuvāko piecu gadu laikā. Tāpēc zinātnieki visā pasaulē gatavojas šim nākotnes izaicinājumam. Viens no risinājumiem ir kvantiskās atslēgu sadales tīkls, kas dod iespēju starp diviem punktiem droši sinhronizēt simetriskās atslēgas, ar kurām tad klasiski šifratori šifrē datu plūsmas. Lai gan tehniski kvantiskās atslēgu sadales savienojumu var mēģināt “noklausīties”, iekārtas konstatēs augstu kļūdu līmeni, kas liecinās par to, ka kāds ir mēģinājis to darīt. Tāds savienojums sinhronizē atslēgas tikai, kad noklausīšanās vairs netiek veikta. To garantēti konstatē, balstoties kvantu fizikā – kvantu stāvokļa neklonējamības principā.
"Vēl neviens nav līdz galam apzinājies, kādas iespējas šīs tehnoloģijas mums pavērs. Tas kvantu dators šķiet kaut kas tāds pavisam tāls – gan jau kaut kur Amerikā tumšā laboratorijā ap topošo kvantu datoru stāv armijnieki. Taču, lai gan pats dators vēl ir samērā tāls, citas tehnoloģijas ap to jau sāk attīstīties. Arī Latvijā," piebilst K. Siliņš.
