Komunikacja, kryptografia, metrologia, obrazowanie i pozycjonowanie – to dziedziny, w których technologie kwantowe mogą w najbliższej przyszłości znaleźć zastosowanie w wojsku. Wprawdzie rozwiązania wykorzystujące te technologie nie zastępują klasycznych systemów wojskowych, lecz znacząco podnoszą ich odporność na ataki, precyzję i bezpieczeństwo użycia.

Pułapka jonowa polskiego komputera kwantowego

Podobno naukowcy zajmujący się fizyką kwantową znają dowcip, który jest niesamowicie śmieszny, a zarazem wyjątkowo mało zabawny. I dopiero gdy go opowiedzą, okazuje się, jaki jest faktycznie. W ten właśnie żartobliwy sposób ujmowana bywa jedna z charakterystycznych cech fizyki kwantowej, która odróżnia ją od klasycznej: o ile w tej ostatniej pewne zjawiska da się opisać w sposób precyzyjny i jednoznaczny, o tyle w skali kwantowej – a sprawa dotyczy najmniejszych cząstek materii i energii, jak atomy, cząstki elementarne i fotony – zjawiska mogą jednocześnie wykazywać cechy całkowicie przeciwstawne. Dopiero ich zbadanie pozwala ustalić, jakie są w rzeczywistości.

Zwykle przywołuje się tu porównanie do rzutu monetą. Otóż w klasycznej fizyce rozpatruje się tę sytuację, wskazując na wynik rzutu: moneta upada albo orłem, albo reszką do góry, innej możliwości nie ma. Fizyka kwantowa ujmuje to jednak z innej strony, zwracając uwagę na fakt, że podrzucona moneta znajduje się w stanie, w którym nie da się precyzyjnie wskazać, co jest u góry, bo u góry jednocześnie jest albo orzeł, albo reszka. I dopiero gdy upadnie, widzimy rezultat – to wynik pomiaru stanu, rzecz w fizyce kwantowej niezmiernie istotna. Dopóki jednak moneta nie upadła, a wspomniany na początku dowcip nie został opowiedziany, mamy do czynienia z tzw. superpozycją – termin dla fizyki kwantowej kluczowy – czyli stanem, w którym obydwie przeciwne możliwości pozostają równie prawdopodobne.

Intensywny rozwój badań z zakresu fizyki kwantowej pozwolił na podjęcie prac nad nowymi technologiami. Są one na tyle perspektywiczne, że zainteresowało się nimi także Wojsko Polskie. Departament Innowacji Ministerstwa Obrony Narodowej opublikował w 2023 roku dokument „Priorytetowe kierunki badań naukowych w resorcie obrony narodowej w latach 2021–2035”, w którym technologie kwantowe zostały – obok sztucznej inteligencji i autonomii – wymienione w grupie tzw. technologii przełomowych, czyli posiadających największy potencjał do utrzymania wysokiego poziomu technologicznego państw NATO. Płk Dariusz Kwiatkowski, zastępca dowódcy Komponentu Wojsk Obrony Cyberprzestrzeni, instytucji, która dba o bezpieczeństwo w cyberprzestrzeni i monitoruje szanse i zagrożenia związane z najnowszymi osiągnięciami technologicznymi oraz stara się efektywnie wykorzystać na rzecz wojska najnowsze osiągnięcia technologiczne, wyjaśnia: – Za sprawą technologii przełomowych możemy otrzymać produkty lub rozwiązania, które zrewolucjonizują dotychczas posiadane zdolności oraz sposób funkcjonowania sił zbrojnych – nie tylko podniosą poziom bezpieczeństwa informacji i odporności systemów, lecz także umożliwią budowę zupełnie nowych zdolności operacyjnych, kluczowych z punktu widzenia Dowództwa Komponentu Wojsk Obrony Cyberprzestrzeni, ale również wojska jako całości. Dlatego już dziś w Siłach Zbrojnych RP analizowane są zmiany organizacyjne, techniczne i doktrynalne, jakie zajdą w przypadku ich wdrożenia.

Część toru optycznego lasera niebieskiego w polskim komputerze kwantowym

O tym, że gra jest warta świeczki, przekonuje dr hab. inż. Marek Życzkowski z Instytutu Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej. Wskazuje on, że technologie kwantowe nie są jedynie udoskonaleniem rozwiązań już znanych, lecz wprowadzają całkowicie nowe koncepcje. – Właśnie ta jakościowa różnica sprawia, że te technologie są dziś postrzegane jako obszar o znaczeniu strategicznym – naukowym, cywilnym oraz wojskowym – zaznacza ekspert. Rozwiązania wykorzystujące technologie kwantowe nie zastępują przy tym klasycznych systemów wojskowych, lecz znacząco podnoszą ich odporność na ataki, precyzję i bezpieczeństwo użycia. – Oznacza to wzrost niezawodności systemów dowodzenia, rozpoznania i łączności oraz zwiększenie odporności na działania przeciwnika w domenie informacyjnej i elektromagnetycznej – podsumowuje ekspert z WAT-u. Potwierdza to dr hab. Magdalena Stobińska-Moretto z Uniwersytetu Warszawskiego, kierująca Grupą Badawczą Kwantowych Technologii Informacyjnych i nowo utworzonym Centrum Hybrydowych Kwantowo-Klasycznych Technologii Informacyjnych QLAB, które otrzymało finansowanie z Fundacji na rzecz Nauki Polskiej: – Technologie kwantowe oferują nowe funkcjonalności, których nie obserwujemy w istniejących konwencjonalnych systemach komunikacyjnych i kryptograficznych – podkreśla.

Bezpieczniejsza komunikacja

Jako technologię obecnie najbardziej zaawansowaną i perspektywiczną pod kątem zastosowań wojskowych należy wskazać kryptografię kwantową. Wynosi ona bowiem na zupełnie nowy poziom kwestie dotyczące bezpieczeństwa łączności. – W systemach klasycznych ochrona informacji wynika z matematycznej złożoności algorytmów kryptograficznych – wyjaśnia dr hab. inż. Marek Życzkowski. – W przyszłości, wraz ze wzrostem mocy obliczeniowej, gdy pojawią się komputery kwantowe, może ona zostać przełamana. W przypadku zaś łączności kwantowej bezpieczeństwo nie opiera się na matematycznych obliczeniach, lecz stanowi konsekwencję praw fizyki – dodaje. O ile bowiem w tradycyjnych sposobach szyfrowania zakodowaną wiadomość można odczytać bez wiedzy nadawcy i odbiorcy (hakerzy mogą się włamywać do naszych komputerów, a my możemy nawet nie być tego świadomi), o tyle w kryptografii kwantowej każdą taką sytuację da się wykryć. W obrazowy sposób kwestię bezpieczeństwa kryptografii kwantowej przedstawia dr hab. Magdalena Stobińska-Moretto: – Przepływ informacji można porównywać do przepływu wody w rurach. Zdarza się, że rury nie są szczelne i woda gdzieś po drodze wycieka, a my możemy nawet tego nie zauważyć. Kontrola informacji kwantowej pozwala nam natomiast każdą brakującą kropelkę zmierzyć i w ten sposób ustalić, czy doszło do wycieku – tłumaczy ekspertka. Właśnie taki ubytek pozwala nam stwierdzić, czy kanał komunikacji jest bezpieczny – a w przypadku wojska niezawodne kanały łączności między poszczególnymi dowódcami na każdym szczeblu hierarchii wojskowej pozostają sprawą pierwszorzędną dla zachowania ciągłości podejmowania decyzji. – Kryptografia kwantowa daje użytkownikom możliwość weryfikacji w czasie rzeczywistym, czy są oni podsłuchiwani – podkreśla dr hab. Magdalena Stobińska-Moretto. Zalety tych rozwiązań docenia, co zrozumiałe, także wojsko. – Umożliwiają one ustalenie klucza kryptograficznego między nadawcą i odbiorcą w sposób bezwarunkowo bezpieczny – podsumowuje płk Dariusz Kwiatkowski z DKWOC-u.

Technologie kwantowe pozwalają nam już dziś kontrolować atomy, cząstki elementarne (np. elektrony), a nawet fotony (najmniejsze porcje – kwanty – światła).

Z kluczem do szyfrowania

Z myślą o bezpieczeństwie opracowywane są systemy kryptograficznego zabezpieczenia transmisji danych – czyli wyspecjalizowane sposoby szyfrowania, dzięki którym dowódcy poszczególnych pododdziałów mogą mieć pewność, że otrzymują informację właściwą, a jednocześnie przeciwnik nie pozna ich zamierzeń. Jednym z elementów istotnych dla każdego systemu kryptograficznego jest tzw. klucz, czyli tajny parametr, który steruje działaniem algorytmu i decyduje o sposobie szyfrowania informacji i kontroli do niej dostępu. Bez niego nie możemy się zalogować, zlecić przelewu czy odczytać wiadomości mailowej, odwołując się do naszej wiedzy z codziennego korzystania z tradycyjnych sposobów szyfrowania danych. I tu właśnie widoczne są zalety nowych technologii: służy do tego metoda zwana kwantową dystrybucją klucza, która do kryptografii zaprzęga zjawiska fizyczne. Komunikując się, korzystamy z klasycznego kanału, którym przesyłamy zakodowaną informację, oraz z kanału kwantowego (możemy do tego użyć np. transmisji światła w światłowodzie), który służy do kwantowej dystrybucji klucza kryptograficznego. Klucz ten jest następnie używany do szyfrowania informacji przesyłanych kanałem klasycznym: na tej samej zasadzie niegdyś jedną przesyłką dostarczano do odbiorcy zaszyfrowaną wiadomość, np. w postaci cyfr zapisanych na kartce, w drugiej zaś, odrębnej – wysyłano książkę kodów, dzięki której można było zaszyfrowaną wiadomość odczytać. Technologie kwantowe pozwalają nam już dziś kontrolować atomy, cząstki elementarne (np. elektrony), a nawet fotony (czyli najmniejsze porcje – kwanty – światła) – i to w ten właśnie sposób, za pomocą fotonów, przesyłamy w kanale kwantowym klucz kryptograficzny.

W przypadku kwantowej dystrybucji klucza sprawą fundamentalną nie jest poziom szyfrowania przygotowywany za pomocą matematycznych trików, ale ustalenie, czy w procesie komunikowania kanał kwantowy pozostał bezpieczny. Jeżeli bowiem jest on podsłuchiwany, dochodzi do błędów w transmisji, które sygnalizują ingerencję, a wówczas otrzymany klucz nie jest bezpieczny. Wtedy trzeba wygenerować nowy klucz – i jeśli dotarł on do odbiorcy bez szkody, mamy pewność, że obcej ingerencji nie było, a wiadomość jest bezpieczna.

Konkretne rozwiązania z tego zakresu zostały opracowane m.in. w ramach projektu „OptoKrypt”. Zainicjowały go i nadzorowały wojska obrony cyberprzestrzeni, jako główny koordynator projektu odpowiedzialny również za nadzór i odbiór wyników. Realizowało go konsorcjum, którego liderem była Wojskowa Akademia Techniczna, uczestniczyły w nim NASK Państwowy Instytut Badawczy i firma TELDAT. Ostatecznie opracowano trzy różne produkty. Pierwszy to kwantowy generator liczb losowych, pozwalający wytworzyć losowe ciągi bitów, które w odróżnieniu od generatorów programowych są niemożliwe do przewidzenia lub powtórzenia. Drugim produktem jest kwantowy system wymiany klucza, gwarantujący całkowite bezpieczeństwo przekazywania informacji kanałem światłowodowym. Trzecim zaś niezwiązany z kryptografią kwantową system optycznego kodowania fazowego.

Strojenie pola pułapki jonowej w systemie sterującym komputera kwantowego

Rozwój kryptografii kwantowej, w tym kwantowa dystrybucja klucza, pozostaje w obszarze szczególnego zainteresowania DKWOC-u w związku z odpowiedzialnością tej instytucji za cyberbezpieczeństwo. Szacuje się, że wdrożenie technologii odpornych na ataki ze strony komputerów kwantowych powinno nastąpić około 2030 roku. Do tego czasu powinniśmy osiągnąć gotowość w zakresie zabezpieczania ważnych systemów przed tego typu zagrożeniami. Jak wyjaśnia płk Dariusz Kwiatkowski: – Powinniśmy zrobić wszystko, aby bezpieczne były nasze systemy wykorzystujące kryptografię klucza publicznego, czyli rozwiązania służące do uwierzytelniania, wymiany kluczy, szyfrowania danych w internecie oraz do składania podpisów cyfrowych. Dlatego podejmujemy działania, by zapewnić bezpieczeństwo systemów przed możliwymi atakami z wykorzystaniem komputerów kwantowych.

Kwanty w komputerze

Właśnie – komputery kwantowe. W kontekście omawianych tu technologii bardzo często mówi się o ich niesamowitych możliwościach obliczeniowych. Trzeba jednak pamiętać, że jeśli chodzi o budowę tych maszyn i możliwość ich zastosowania, sprawa jest wciąż na etapie testów i eksperymentów. – W przeciwieństwie do kwantowej kryptografii, gdzie bardzo dobrze wiemy, co jest konkretną korzyścią wynikającą z użycia zjawisk kwantowych, takie benefity nie do końca są jeszcze jasne, jeżeli chodzi o obliczenia i komputery kwantowe – studzi emocje dr hab. Magdalena Stobińska-Moretto.

Wysiłki dotyczące stwarzania możliwości w zakresie budowy komputera kwantowego podejmowane są także w Polsce. We współpracy wojskowo-cywilnej rozwijany jest projekt o nazwie MIKOK (modularna infrastruktura komputera kwantowego). Do jego realizacji powołane zostało konsorcjum, któremu przewodzą specjaliści z Politechniki Warszawskiej, a należą do niego także Politechnika Śląska, Wojskowa Akademia Techniczna, Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia oraz spółka Sonovero R&D, DKWOC delegowało specjalistów, którzy stanowią część zespołu nadzorującego – sam zaś zespół został powołany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.

To nie przypadek, że do budowy infrastruktury komputera kwantowego zaangażowano specjalistów z różnych środowisk naukowych i wojskowych. Wykonawca projektu, dr inż. Zbigniew Wawrzyniak z Politechniki Warszawskiej, wyjaśnia: – My, inżynierowie, budujemy infrastrukturę sprzętową, tworzymy maszynę użytkową. Ona jednak nie działa bez oprogramowania, zatem informatycy dobudowują do tego infrastrukturę informatyczną – tzw. stos obliczeniowy, a w nim oprogramowanie.

U rządzenie do kwantowej dystrybucji klucza – OptoKRYPT2

Ekspert zaznacza, że klasyczne algorytmy nie nadają się do bezpośredniego przeniesienia do domeny kwantowej. Wynika to z faktu, że komputery kwantowe działają na zupełnie innych zasadach niż tradycyjne, zatem całkowicie odmienny musi być także sposób tworzenia tzw. algorytmów kwantowych.

Budowa komputera kwantowego jest wyzwaniem technologicznym, dlatego ogromną wagę ma również kwestia właściwej organizacji w ramach projektu MIKOK oraz zaangażowania w jego powstanie ludzi: ekspertów, pracowników, użytkowników. Współdziałanie wszystkich tych środowisk pozwoli na zweryfikowanie możliwości technologicznych, przetestowanie konkretnych rozwiązań sprzętowych czy informatycznych, a także sprawdzenie możliwości współpracy różnych ośrodków ze sobą.

Dr inż. Zbigniew Wawrzyniak zaznacza, że w polskich warunkach niezwykle istotne wydaje się rozstrzygnięcie dylematu: czy lepiej jest kupić technologie kwantowe u dostawców z zagranicy, czy też rozwijać je u siebie. I od razu odpowiada: – Ze względu na nasze bezpieczeństwo musimy posiadać własną infrastrukturę sprzętową w zakresie komputerów kwantowych. Powinniśmy jednocześnie rozwijać własną kadrę, która będzie w stanie projektować, budować, opracowywać prototypy urządzeń kwantowych, a następnie je użytkować. – Posłuży to zwiększeniu naszej niezależności w zakresie tych technologii, zwłaszcza że niektóre rozwiązania mamy już na poziomie światowym, np. szybką elektronikę sterującą dla procesora kwantowego.

Co z gotowością

– Komputer kwantowy ogólnego przeznaczenia – rozumiany jako skalowalny i odporny na błędy – pozostaje nadal w fazie zaawansowanych badań laboratoryjnych – wskazuje płk Dariusz Kwiatkowski. DKWOC jednak równolegle rozwija także zdolności związane z algorytmami i oprogramowaniem kwantowym. – Możemy podjąć rywalizację z największymi ośrodkami na świecie w zakresie software’u czy algorytmiki, co wynika z kompetencji, które posiadają nasi specjaliści – podsumowuje.

Jeśli chodzi o rozwiązania na wysokim poziomie gotowości technologicznej, to mamy wspomniane już produkty przygotowane w ramach programu „OptoKrypt”. Jednym z warunków koniecznych do ich wdrożenia w Siłach Zbrojnych RP jest m.in. uzyskanie certyfikatu ochrony kryptograficznej. Bliskie wdrożenia wydają się także niektóre rozwiązania z obszaru metrologii kwantowej, np. sensor przygotowywany w ramach projektu VIGIMARE (zob. ramka).

Widok kryształu jonów utrzymywanego w pułapce jonowej komputera kwantowego

Już dzisiaj trzeba jednak myśleć o tym, co dalej. Dr inż. Zbigniew Wawrzyniak podkreśla, że niezmiernie istotna jest kwestia współpracy między różnymi środowiskami: wojskiem, które inicjuje lub zleca opracowanie konkretnych rozwiązań, naukowcami, którzy przygotowują koncepcje techniczne, oraz producentami, którzy sprzęt o wskazanych parametrach będą wytwarzać. – My, inżynierowie, jesteśmy od tego, żeby opracowywać, prototypować, wdrażać, natomiast jako uczelnie techniczne nie poradzimy sobie sami ze wszystkimi zagadnieniami organizacyjnymi przy produkcji, badaniami podstawowymi, a tym bardziej finansowymi. Stąd potrzeba wielodomenowych konsorcjów rozwojowo-wdrożeniowych – wskazuje dr inż. Wawrzyniak. Dlatego tak istotną sprawą jest rozwijanie współpracy wojskowo-cywilnej ukierunkowanej na wdrożenia.

Z myślą o przyszłości polskie uczelnie otwierają nowe kierunki i specjalności profilowane właśnie pod kątem technologii kwantowych. – Warto podkreślić współpracę wojska z Wydziałem Cybernetyki Wojskowej Akademii Technicznej i wzajemne wsparcie w tym obszarze – wskazuje płk Dariusz Kwiatkowski. – W 2025 roku uruchomiono tam nową specjalność: informatykę kwantową, a za trzy lata spodziewamy się pierwszych specjalistów w zakresie technologii kwantowych. Liczę, że zasilą DKWOC – dodaje. W WAT powstał także hub kwantowy, struktura, która ekspercko wspiera resort obrony narodowej w szerokim spektrum tematów z tej dziedziny. Największe armie świata pracują nad własnymi rozwiązaniami dotyczącymi technologii kwantowych. Inwestowanie w rodzime produkty oraz stawianie na rozwój krajowych kompetencji specjalistycznych w tym zakresie pozwoli zatem zachować niezależność od obcych koncepcji, pomysłów i rozwiązań. To z kolei zwiększa bezpieczeństwo naszych systemów i przekłada się na wzrost bezpieczeństwa narodowego. W coraz mniej przewidywalnym świecie to sprawa o fundamentalnej wręcz wadze.