Kvantové zpracování informace a kryptografie

Kvantové zpracování informace je nový trend v oblasti zpracování informace, výpočtů, komunikace a v oblasti bezpečnosti. Využitím specifických zákonitostí kvantové fyziky a vlastností mikroskopického kvantového světa se umožňuje dosáhnout cílů neřešitelných klasicky, případně mnohé úlohy řešit efektivněji. Aplikace zahrnují např. distribuci kryptografických klíčů s absolutní bezpečností, exponenciální zrychlení některých algoritmů (faktorizace čísel, problém diskrétních logaritmů, vyhledávání v databázích), zvýšení kapacity komunikačních kanálu a mnoho dalších.

Zatímco základním prvkem při klasickém zpracování informace je bit, který může nabývat dvou hodnot, u kvantového zpracování je to kvantový bit (qubit), který může nabývat nespočetně mnoha hodnot. Při kvantovém zpracování informace, komunikaci a v kryptografii se využívají speciální, a často zdánlivě magické kvantové jevy jako jsou entanglování a nelokální efekty. Jednou ze zajímavých aplikací kvantových jevů je kvantová teleportace.

Teleportace umožňuje přenést nějaký objekt nepřímo, resp. umožňuje přenést informaci v něm obsaženou. Na straně příjemce se podle této informace vytvoří objekt identický s objektem posílaným. Kvantová teleportace umožňuje přenést kvantový objekt, aniž bychom tento objekt znali. Pro vlastní přenos je nutné, aby obě strany sdílely propletený (entanglovaný) kvantový stav. V tom případě je pak možné teleportovat neznámý kvantový stav. Přenášená informace je složena z kvantové a klasické části. Kvantová informace se přenáší okamžitě po společném změření teleportovaného stavu a jedné části z entanglovaného kvantového stavu. Aby bylo možné plně zrekonstruovat kvantový stav na straně příjemce, je nutné přenést i výsledek měření (klasickou hodnotu reprezentovanou 2 bity) například pomocí telefonu. Teleportace neumožňuje přenášet informaci rychleji než světlo, protože bez dodatečné klasické informace odpovídá teleportovaný stav na straně příjemce náhodnému stavu (tento stav je vlastně perfektně zašifrovaný) a k plné rekonstrukci je nutné provést další operace v závislosti na výsledku měření.


Hlavní výzkumné oblasti

V laboratoři se konkrétně pracuje na následujícíh tématech:
  • kvantová kryptografie,
  • návrhu programovatelných kvantových procesorů,
  • diskriminace kvantových objektů,
  • analýza pseudotelepatických her

Informace pro studenty

Existuje pět hlavních důvodů, proč je kvantové zpracování informace velmi důležitou oblastí vědy:
  • Očekává se, že studium kvantového zpracování informace povede k nových kvantových technologiím, které budou mít široký dopad na vědu, technologie i na celou společnost obecně.
  • Mnohá odvětví vědy a vývoje technologií se blíží do situace, kdy budou nutné znalosti pro izolování, manipulaci a přenos mikroskopických objektů.
  • Očekává se, že kvantové zpracování informace bude základem pro pochopení složitých kvantových jevů a systémů.
  • Kvantová kryptografie nabízí zcela novou úroveň bezpečnosti, navíc uskutečnitelnou v nejbližší budoucnosti.
  • Kvantové zpracování informace se ukazuje jako efektivnější pro důležité i zajímavé problémy.

Kvantové zpracování informace je živou oblastí s mnoha tématy pro výzkum, do kterého se mohou zapojit i studenti magisterského (příp. bakalářského) studia. Do činnosti je možné se zapojit formou diplomové (příp. bakalářské) práce nebo formou doktorského studia.

Hlavní podmínkou je zájem o danou problematiku, příp. i o klasickou kryptografii. Mezi předpoklady patří schopnost samostatné práce a solidní matematické znalosti. Student se během práce v laboratoři bude dále i za pomoci starších studentů vzdělávat v informatických i matematických předmětech. Vzdělání v oblasti nutných základů kvantové fyziky je otázkou 2 semestrů.


Složení výzkumného týmu


Mezinárodní spolupráce

Laboratoř má užší vztahy se Slovenskou akademií věd v Bratislavě, Univerzitou v Pecsi, IST Lisabon, Univerzitou v Bristolu, NU Singapore, Univerzitami v Tokiu a Kyoto a s KAIST v Soulu. Spolupráce je formou společných projektů, výměnných pobytů ap. Plánuje se užší spolupráce s ARC Seibersdorf - komerční výzkumnou institucí v Rakousku. V rámci fakulty je nejbližší spolupráce s Laboratoří aplikované kryptografie a bezpečnosti doc. Matyáše.

Laboratoř je jedním z hlavních organizátorů pravidelného workshopu CEQIP (Central European Quantum information Processing) a má výrazný vliv na organizaci jedné z nejvýznamějších konferencí v dané oblasti - AQIS (Asian Conference on Quantum Information Science), konané každý rok v asijských zemích (Japonsko, Čína, Korea).


Výsledky

Bylo dosaženo řady teoretických výsledků týkajících se vlastností entanglování, kvantových primitiv a jejich univerzality a potenciálu programovatelných kvantových procesorů. Byl vytvořen nový typovaný imperativní programovací jazyk umožňující kombinaci kvantových a klasických výpočtů. V oblasti kvantové kryptografie byly analyzovány kvantové privátní kanály a byl navržen bezpečný protokol pro kvantové zabezpečení anonymity.


Řešené projekty:


Kontakt:

prof. RNDr. Jozef Gruska, DrSc.
Telefon: +420 549 49 4592
E-mail: gruska(atsign)fi(dot)muni(dot)cz
http://www.fi.muni.cz/usr/gruska/
http://quantum.fi.muni.cz