Životy lidí ovládá náhoda. Respektive náhodnost. Touto oblastí teoretické informatiky se bude v příštích třech letech zabývat tým pracovníků ze sedmi evropských univerzit pod vedením Jana Boudy z fakulty informatiky. Jako první koordinátor z Masarykovy univerzity totiž získal projekt 7. rámcového programu EU, a to ve výzvě zaměřené na podporu nových a rizikových myšlenek.
Náhodnost se používá v téměř celé informatice. Většina funkcí či aplikací v počítači s ní pracuje. „Oblastí, která se bez náhodnosti v podstatě neobejde, je například kryptografie neboli šifrování,“ uvedl Bouda. K šifrování jsou totiž potřeba náhodná čísla, z nichž se vytvářejí takzvané kryptografické klíče.
Danou sekvencí čísel se prokazují například mobilní telefony při připojování do sítě, nebo kreditní karty při použití v bankomatu. „Pro vytvoření řetězce náhodných čísel je potřeba generátor. Pokud ale není kvalitní, tak je daná aplikace náchylná k prolomení,“ upozornil Bouda na to, že náhodnost není rozhodně jednoduchá záležitost.
Mezinárodní výzkumný tým projektu nazvaného RAQUEL půjde ještě dál. Bude se totiž zaměřovat na náhodnost v oblasti kvantového zpracování informace. „Když se vezmou v úvahu kvantové jevy, tak začne celý svět a také zpracování informací, fungovat zcela jinak,“ podotýká Bouda.
Kvantové zpracování informace
Kvantová mechanika se od klasické liší především tím, že nepopisuje stav částic jejich polohou a hybností, ale vlnovou funkcí. Velmi zjednodušeně se tedy daná částice nachází v určitém čase na konkrétním místě udaném s určitou pravděpodobností. Kvantové počítače díky tomu mohou fungovat odlišně, být rychlejší a umět řešit i věci, které na klasických počítačích dělat nelze.
Příkladem takové ‚neřešitelné' úlohy je problém faktorizace prvočísel. Běžně se používá pro bezpečné přihlašování například do internetového bankovnictví či webového prohlížeče. Je založen na tom, že jedním směrem je snadno řešitelný, ale opačně se v rozumném čase nedá spočítat. „Vezmete-li několik prvočísel a vynásobíte je, získáte číslo, které musíte při dekódování rozložit na ta samá čísla, která jste použili k jeho výpočtu. To ale není jednoduché. V kryptografii se navíc používají tak vysoká čísla, že nejlepší existující algoritmy by jejich rozklad počítaly delší dobu, než jaké je stáří vesmíru,“ řekl Bouda s úsměvem.
Kvantové počítače si s podobnou úlohou dokáží poradit rychle a efektivně, s pomocí takzvaného Shorova algoritmu. „Podobné přístroje jsou ale hudbou budoucnosti. S jistotou však víme, že už existující jednoduché kvantové počítače umějí komunikovat rychleji a mnohem bezpečněji než klasické počítače kdy umožní. Jejich pomocí se tak například dají rozesílat přímo kryptografické klíče, tedy to, co musí zůstat utajené,“ dodává informatik. Právě proto je základní výzkum náhodnosti v kvantovém zpracování informace tak důležitý.
Už teď se ale šifrování potýká s problémem vytváření kvalitních náhodných čísel. K jejich vytváření se používají generátory, které ale nemusejí být přesné. V kryptografii se používají takzvané kvantové generátory využívající náhodnost kvantového měření, případně generátory založené na těžko předvídatelných fyzikálních jevech, jako je měření šumů v síti a dalších.
„Budeme testovat a analyzovat stávající aplikace pracující s náhodností a zjišťovat, jak velké problémy u nich tyto nepřesnosti způsobují. V souvislosti s tím pak budeme hledat softwarové možnosti oprav a tedy zefektivnění procesu vytváření náhodných čísel,“ upřesnil Bouda a dodal, že generování kvalitních náhodných čísel a jejich ukládání je velmi drahé. Vědci se proto budou zabývat také navrhováním algoritmů a šifrovacích systémů, které budou náhodnost využívat co nejméně nebo co nejefektivněji.
Evropský tým
Na projektu bude pracovat pět výzkumníků z fakulty informatiky a vědci z Vídeňské univerzity, univerzity v lotyšské Rize, polském Gdaňsku, ze švýcarské technické univerzity ETH Zürich, Freie Universität v Berlíně a také z Univerzity Autònoma v Barceloně. Právě tam nyní Bouda pracuje v týmu, který je součástí projektu. Za koordinaci mezinárodního týmu, který se vyrovná jiným výzkumným skupinám ve světě, získal informatik také cenu v rámci programu podpory výzkumu na Masarykově univerzitě.
„Měl jsem konkrétní partnery a vědecký záměr, na který jsem chtěl získat financování. Přihlásil jsem se tedy do výzvy 7. rámcového programu podporujícího základní výzkum. Je složité peníze z tohoto programu získat, přesto pro mě bylo překvapením, že jsem první koordinátor tohoto typu programu v rámci univerzity a také mezi prvními v České republice,“ dodal Bouda.