Költséghatékonyabb lehet a kvantumkommunikáció

Hagyományos és kvantumos kommunikáció együttes jelenlétét vizsgálta kutatásában Sóki András, a BME VIK Gábor Dénes-ösztöndíjas hallgatója.

„Az ösztöndíjnak köszönhetően egy olyan szakmai klubba kerülhettem be, ahol rengeteget tanulhatok, és nem csak a szűkebb szakterületemről, hanem számos tudományágról és a legkiválóbb hazai akadémiai szakemberektől” – vallotta Sóki András, a BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar (BME VIK) villamosmérnök BSc-szakos hallgatója, aki legutóbb egyike volt azoknak a fiataloknak, akik elnyerték a Gábor Dénes Tudományos Diákköri Ösztöndíjat. Sóki András TDK-dolgozatával kiválóan szerepelt az intézményi fordulón, és tavasszal a Műegyetem színeiben vesz részt a 36. Országos Tudományos Diákköri Konferencián (OTDK). Pályamunkájának címe: „Kvantum csatorna integrálása meglévő optikai hálózatokba” (témavezetője: Gerhátné Udvary Eszter, a BME VIK Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék egyetemi docense).

Sóki András továbbtanuláskor a gazdaságtudományok és a műszaki területek között dilemmázott, ám végül a Műegyetem és a villamosmérnök szakot választotta a felvételinél. Érdekelte az informatika is, ám végül a hardverközelibb villamosmérnök témák nyerték el a tetszését. A BSc-képzésen a BME VIK Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszéken választott magának specializációt, a nappali alapképzést a mintatanterv szerint, késés nélkül végezte el. „Olyan helyen szerettem volna továbbtanulni, és majd dolgozni, ahol új és innovatív fejlesztésekben vehetek részt” – árulta el törekvéseiről a díjazott mérnökhallgató, aki az infokommunikációs témák, azon belül is a távközlés, a rádiózás és a kommunikációs jelek terén vágott bele diákként kutatásokba.

Pályamunkájában a kvantumkommunikáció egyik résztémáját vette górcső alá. Témalabor kurzuson találkozott először ezzel a területtel, majd a 6. félévben az önálló labor tárgyban, és végül a diplomamunkájában is továbbvitte ezt a témát. Elgondolásait önálló kutatás keretében is kifejtette, TDK-dolgozatával első helyezést ért el szekciójában.

„A hagyományos optikai kommunikáció és a kvantumkommunikáció során is az információ közlése optikai szálon történik. Előbbinél 1 bit elküldéséhez több százezer fotont használunk, míg kvantumkommunikációnál egy, vagy mindössze néhány fotont. Utóbbi kommunikációs forma előnye, hogy kívülről lehallgathatatlan, ám hátránya, hogy jelenleg még egy jóval lassabb folyamat. Ezért konkrét kommunikálandó üzenet helyett egy egyedi kulcsot küldenek el a fogadó félnek. Ezzel a megoldással titkosítják a hagyományos módon véghezvitt kommunikációt, a címzett pedig bonyolult protokollokon keresztül kapja meg az üzenet elolvasásához szükséges kulcsot. A folyamat során tulajdonképpen véletlenszerű fotonok jutnak el A pontból B-be, maga a kulcs pedig a kommunikációs folyamat során generálódik” - vázolta fel a vizsgált terület kihívásairól Sóki András.

A kvantumkommunikáció során történő titkosítás működésének illusztrálása

„Hagyományos kommunikációnál egyetlen optikai szálon akár 96-120 csatorna is jelen lehet különböző hullámhosszokon, míg kvantumkommunikációnál rendszerint az a bevett gyakorlat, hogy egyetlen üres optikai szálon fut a kommunikáció, más egyéb csatornát pedig nem lehet ’betenni’ mellé, mert azok elnyomhatják a kis teljesítményű kvantumcsatornát” – fejtette ki Sóki András. A BME VIK hallgatója MATLAB programmal végzett számításokat arra, hogy a hagyományos kommunikációs csatornák mennyire zavarják a kvantumkommunikációs párjukat azonos optikai szálon. Vagyis: azt elemezte, hogy különböző csatornaszámok mellett mekkora zaj jut át az egyéb frekvenciákon üzemelő hagyományos csatornákról a kvantumcsatornának kiválasztott frekvenciára. A MATLAB program mellett a kutatáshoz szükséges méréseket a Magyar Telekom laborjában végezte el Sóki András.

Közös szakasz spektrumának mérési eredményei. Az illusztráción látható a klasszikus csatornák teljesítménye a saját hullámhosszukon, valamint az üres csatorna, ahová a kvantumcsatornát lehet elhelyezni.

„A mérési vizsgálatok során kiválasztottam egy ’üresen’ tartott csatornát, ez lett a kvantumkommunikáció helye, mellé pedig ’klasszikus’ csatornákat helyeztem, és eközben azt vizsgáltam, mekkora zaj jut át a kvantumcsatorna helyére. A mérési eredményekből arra következtettem, hogy pár hagyományos csatorna mellett körülbelül 10-15 km-es távolságig zavartalanul tudnak működni egymás mellett egy optikai szálon a kvantumkommunikációs és a hagyományos csatornák. Vagyis jelentős költségek spórolhatók meg azzal, hogy ilyen távolságon belül nem szükséges plusz optikai szálat kiépíteni. A MATLAB-ban végzett számítások szerint 30 egymás melletti csatorna nagyjából 5 kilométer hosszan még működőképes” – osztotta meg tudományos pályamunkája részleteit az ösztöndíjas mérnökhallgató.

Illusztráció a különböző csatornák egy szálra kerüléséről

A TDK után, 2022. december végén a BME VIK Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék és a Magyar Telekom egy közös EuroQCI pályázat keretében tudományos kutatási célokra egy hónapra kölcsönkapott egy nagy értékű kvantumkulcs szétosztó eszközt. E berendezéssel kipróbálták többek között a Sóki András dolgozatában leírtakat is: a gyakorlat pedig igazolta az ifjú mérnökhallgató elméletét. „A jelenleg még nem publikus eredmények szerint 10 km-es szakaszon 35 klasszikus csatornát tudtunk a kvantumossal egy szálra tenni, 2041 bit/s kulcsmegosztási rátát elérve (klasszikus csatornák nélkül ez kb. 3000 bit/s). Még 65 klasszikus csatorna mellett is működött a kvantumkommunikációs csatorna, bár igaz, akkor már csak 600 bit/s-os sebességgel. Ráadásul az egyik klasszikus csatorna forgalmát titkosítotottuk a kvantumkommunikáció során létrehozott kulccsal, így azt is ki tudtuk próbálni” – mesélte a hallgató.

Két, a klasszikus csatornák adását előállító transzponder adását egy szálra helyezik egy multiplexer segítségével, majd a WDM (közös szakasz) kimenetén egy spektrumanalizátor segítségével vizsgálják, mekkora zaj van egy kiválasztott üres csatornán.

A műegyetemi hallgató tanulmányai mellett a Magyar Telekomnál végezte szakmai gyakorlatát, majd annak teljesítése után továbbra is a vállalatnál maradt. A maghálózat fejlesztésével foglalkozó csapat munkájába kapcsolódott be, ahol ő is fejlesztési feladatokat kapott. Tanulmányait műegyetemi mesterképzésen folytatja tovább, és elárulta, hogy jelenlegi munkáját sem szeretné feladni. Nagyon várja már a tavaszi OTDK-t, intenzíven készül a legjobb tudományos hallgatók képességeit összemérő versenyre.

A mesterdiploma megszerzése utána alapvetően piaci, ipari karrierben gondolkodik, de addig még szeretné ismereteit bővíteni a korábbihoz hasonló innovatív területeken. Mivel a gazdaság is közel áll hozzá, így most egy olyan területet választott, ahol műszaki és tőzsdei témák találkoznak: egy tőzsdén aktív kereskedést végző, mesterséges intelligencián alapuló (AI) algoritmus írására vállalkozott. „Nyitott vagyok az újdonságok iránt, szeretnék még sokat tanulni, és a jövőmet is olyan cégnél képzelem el, ahol mérnökként részt vehetek ilyen projektekben” – osztotta meg elképzeléseiről Sóki András. Tanulmányai mellett fontolgatja az Erasmus-ösztöndíj megpályázását, emellett a közéletben is aktív szerepet vállal: az ESTIEM Budapest BME adminisztrációért felelős alelnökeként segíti a hallgatói diákszervezet munkáját.

TZS-KJ

Fotók forrása: Sóki András