Universitatea ”Babeș-Bolyai” (UBB) Cluj-Napoca, împreună cu Institutul Național de Cercetare – Dezvoltare pentru Fizica Materialelor (INCD-FM), va elabora, în perioada 2021-2023, Strategia României pentru dezvoltarea capabilităților naționale în domeniul comunicațiilor cuantice QTSTRAT. Directorul de proiect Radu Ionicioiu a explicat pentru Cluj24 care sunt avantajele comunicațiilor cuantice față de cele clasice și ce presupune această strategie.

Rep: Cum a câștigat UBB dreptul de a elabora strategia României în noile tehnologii cuantice?

R.I: A existat un concurs lansat de Ministerul Cercetării, iar inițial au fost trei consorții. Consorțiul format din UBB și Institutul Național de Cercetare – Dezvoltare pentru Fizica Materialelor a câștigat proiectul.

Rep: Ce sunt aceste comunicații cuantice și prin ce se deosebesc de comunicațiile clasice?

R.I: La nivel internațional suntem într-o nouă fază, care se numește ”cea de-a doua revoluție cuantică”. Istoric, au existat mai multe revoluții tehnologice, de exemplu tehnologiile bazate pe electricitate și magnetism, pe care le folosim zilnic. Nu ar exista aviație civilă sau explorare planetară fără radare și sateliți de comunicație. La fel, internetul, radioul, televiziunea – toate folosesc tehnologii electromagnetice.

În prezent asistăm la cea de-a doua revoluție cuantică, în care cercetătorii studiază și aduc pe piață noile tehnologii cuantice. Acestea sunt un domeniu larg, este vorba de comunicații cuantice, despre computere cuantice, care sunt mai rapide și funcționează diferit de computerele clasice, senzori cuantici, care sunt mult mai sensibili, imagistică cuantică, simulatoare cuantice. Există o întreagă panoplie de tehnologii cuantice care încet-încet vor ajunge pe piață.

Cel mai dezvoltat este domeniul comunicațiilor cuantice, care își propune să securizeze comunicațiile într-un fel pe care nu îl pot face comunicațiile clasice. Noi folosim zilnic criptografia, de exemplu când facem o tranzacție bancară cu cardul (la magazin sau online). Comunicațiile securizate se folosesc peste tot în internet (Whatsapp, Twitter etc).

Criptografia clasică, vulnerabilă în fața unui computer cuantic

Criptografia clasică este insă vulnerabilă la un atac al unui computer cuantic, care va putea sparge ușor codurile folosite in prezent. Astfel, securitatea comunicațiilor guvernamentale, a infrastructurii critice, datele medicale, tranzactiile financiare, sunt vulnerabile la un atac al unui computer cuantic.

Cine va avea un computer cuantic va putea decripta comunicațiile clasice. Nu e vorba doar de carduri de credit, ci și de comunicații care trebuie să rămână secrete pe o perioadă de 20-30 de ani, cum ar fi cele diplomatice, militare, dosare medicale sau de cercetare, invenții etc.

Comunicațiile clasice se bazează pe transmisia de biți, 0 sau 1. Spre deosebire de acestea, calculatoarele cuantice și comunicațiile cuantice folosesc qubiți, adică biți cuantici (qubits), o resursă care nu există la nivel clasic.

O resursă nouă

Pentru a face o analogie, nu putem explica undele electromagnetice sau comunicațiile fără fir prin mecanica clasică. Leonardo da Vinci, un geniu al mecanicii, nu avea conceptul de undă electromagnetica, nu putea să înțeleagă cum, dacă apăsăm un buton aici, putem sa aprindem un bec la distanță, fără să existe o legătura mecanică între ele.

Intuiția pe care o avem din mecanica clasică nu poate explica electricitatea sau magnetismul, care reprezinta o clasă nouă de fenomene. În același timp, electricitatea este și o resursă, o folosim la a face ceva util, precum iluminatul, un computer sau un radar. În mod similar sunt și resursele cuantice care ne ajută să facem lucruri pe care nu le putem face la nivel clasic. De exemplu, în cazul unui calculator cuantic, există algoritmi care sunt mai rapizi decât cei clasici.

Securizarea comunicațiilor prin fibră optică

Algoritmii de criptare folosiți în prezent se bazează pe faptul ca un computer clasic nu poate factoriza eficient. În schimb, un computer cuantic va face eficient acest lucru, deci va compromite securitatea interetului. Comunicațiile cuantice vor securiza informațiile trimise prin fibră optică (sau spațiu liber) între două puncte A și B. Este important de menționat că nici măcar un calculator cuantic nu va putea sparge criptografia cuantică (dacă este implementată corect).

Putem copia un semnal clasic, însă un semnal cuantic nu se poate copia perfect, deoarece operează la nivelul unui singur foton. Astfel, în  comunicațiile cuantice nu folosim pulsuri de lumină cu milioane de fotoni, ci pulsuri atenuate care ideal conțin un singur foton. Deoarece starea unui singur foton nu se poate copia perfect, orice perturbare introdusă de un atacator se poate detecta.

Sistemul de distribuție cuantică a cheii (QKD, quantum key distribution) asigură protecția transportului de date între A la B, iar beneficiarii vor fi universități, instituții guvernamentale, militare, diplomatice, spitale, bănci, operatori de telecomunicatii etc.

În momentul de față se construiește viitorul internet cuantic, iar securizarea comunicațiilor este prima aplicație, cea mai simplă. Vor exista și alte aplicații, de exemplu semnături cuantice electronice, sau computere cuantice în cloud.

Un exemplu pe înțelesul tuturor

Să presupunem că un start-up vrea să facă o simulare a unui medicament, de exemplu o moleculă complexă, însă nu are un calculator cuantic pentru a simula eficient. În cazul acesta poate folosi un calculator cuantic în cloud, de exemplu IBM, disponibil comercial. Problema care apare este spionajul industrial: start-up-ul nu vrea să divulge formula moleculei, care e secretă. Deci cum putem face o simulare fără a divulga formula moleculei?

Tehnologiile cuantice ne oferă o soluție: având un calculator cuantic și comunicații cuantice putem face ceea ce numește blind quantum computing, sau calcul cuantic în orb. Putem folosi serverul cuantic (în care nu avem încredere) ca să simuleze molecula; serverul va furniza rezultatul dorit, fără ca el să știe ce a simulat. Acest lucru arată utilitatea și puterea resurselor cuantice.

La nivel european s-au pus bazele infrastructurii de comunicații cuantice europene (proiectul EuroQCI) iar România a semnat această declarație și este parte membră. În prezent, la nivel european și la nivel local, se construiește acest internet cuantic, o infrastructură europeană de comunicații cuantice, iar primele teste se fac deja în Viena.

China, mult mai avansată decât Europa

China este extrem de avansată în acest domeniu și are deja o infrastructură mult mai dezvoltată decât cea europeană. China are un backbone de comunicații cuantice între Beijing și Shanghai de 2000 de kilometri, echivalentul distanței București – Bruxelles. În câteva orașe importante exista rețele metropolitane de 40-50 de noduri între guvern, armată, bănci, universități. Tot China a lansat primul satelit de comunicații cuantice din lume și investește masiv în domeniu, existând deja firme care vând sisteme de comunicații cuantice.

Uniunea Europeană investeste considerabil în tehnologii cuantice și a început construcția infrastructurii de comunicații cuantice din care România face parte. EuroQCI va fi o rețea de rețele, adică fiecare stat membru va avea propria rețea, conectată la țările vecine. Proiectul de strategie QTSTRAT va elabora strategia României în acest domeniu, strategie bazată pe ceea se întâmplă în lume (China, Europa, SUA etc).

Proiectul va dura doi ani

Rep: Când estimați că va fi gata această strategie a României?

R.I: Proiectul de strategie va dura doi ani de zile, conform contractului semnat cu Ministerul Cercetării. Exista un plan de lucru, proiectul prevede anumite etape intermediare, cum ar fi selectarea specialiștilor care vor contribui la proiect. Vom elabora strategia, vom face un road-map național, cu obiective startegice si un masterplan național.

La nivel european se lucrează în prezent la o strategie, iar țările membre își adaptează și integrează propria strategie cu cea europeană. Ca reprezentant al României în EuroQCI Board, am elaborat și trimis planul țării noastre, care a fost agreat de Comisia Europeană.

Planul conține 4 faze. Inițial vom construi două rețele metropolitane (București și Cluj),  apoi un backbone național între cele două municipii. Vor avea 2 stații optice la sol pentru conectarea cu sateliții lansați de Agenția Spațială Europeană (ESA). În final, vom conecta rețeaua națională de comunicații cuantice cu țările vecine (Bulgaria, Ungaria). Proiectul european EuroQCI implică două componente, una terestră, prin fibră optică, și o componentă satelitară, operată de viitorii sateliți ESA. Fiecare țară va trebui să aibă cel puțin o stație optică la sol, adică un telescop care comunică cu satelitul și stabileste cheile cuantice.

Strategie națională și strategie europeană

Rep: România, fiind membră a Uniunii Europene și NATO, are nevoie de legături securizate, pentru a ține legătura cu instituțiile de la Bruxelles, pentru schimb de informații. Un astfel de sistem ar preveni penetrarea acestei legături de către altcineva?

R.I: Absolut. Strategia urmărește securizarea comunicațiilor naționale, guvernamentale sau internaționale, militare, de maximă importanță la nivel național, sau între ambasade.

Investiții masive în tehnologii cuantice

Rep: Activați de peste 20 de ani în acest domeniu. Vă așteptați să ajungem acum la acest nivel? Sau am ajuns prea târziu?

R.I: Ne așteptam să avem un calculator cuantic ceva mai repede. Toată lumea spunea că vom avea un calculator cuantic în următorii 20 de ani. A existat o perioadă în care domeniul a evoluat lent, după care în ultimii 5 – 10 ani a început să crească exponențial, cu investiții masive: Germania va investi în tehnologii cuantice 2 miliarde euro, Franța 1,8 miliarde.

În Europa avem Quantum Flagship, un program de cercetare de un miliard de euro pentru zece ani, un program fundamental din Horizon Europe.

În paralel, se dezvoltă European Quantum Communication Infrastructure (EuroQCI) și va urma European Quantum Computation and Simulation Infrastructure (EuroQCSI), în care vom avea computere cuantice ce vor fi accesate în rețea.

Cine este Radu Ionicioiu

Radu Ionicioiu este cercetător senior (CS1) în cadrul Departamentului de Fizică Teoretică al Institutului Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizică și Inginerie Nucleară ”Horia Hulubei” din Măgurele. A absolvit Universitatea București în anul 1991 și are un doctorat în gravitație cuantică obținut la Universitatea din Cambridge în 1999. Primul său post-doctorat a fost la Departamentul de Inginerie la Universitatea din Cambridge.

Este membru in Consiliului Consultativ Strategic (SAB, Strategic Advisory Board) al programului european Quantum Flagship și reprezentantul României în EuroQCI Board.