Czym jest internet kwantowy?

Wszystko, co musisz wiedzieć o dziwnej przyszłości internetu kwantowego, czy jest nam potrzebny i kiedy z niego będziemy musieli korzystać?

Grafika ilustrująca schemat internetu kwantowego

Naukowcy z całego świata pracują nad kwantowym internetem do komunikacji za pomocą teleportacji. Ale czym jest internet kwantowy, kiedy będzie gotowy i kto będzie z niego korzystał? Naukowcy z Singapuru już wykorzystują kryptografię kwantową, aby usprawnić szyfrowanie sieci.

To wszystko może brzmieć jak koncepcja science fiction, ale budowanie sieci kwantowych jest kluczową ambicją wielu krajów na całym świecie. Niedawno Departament Energii USA (DoE) opublikował założenia pierwszego pięcioletniego tego rodzaju projektu, przedstawiając krok po kroku strategię urzeczywistnienia marzenia o internecie kwantowym – wyjaśniając, przynajmniej w bardzo wstępnej formie, co może nastąpić w ciągu najbliższych kilku lat w tej materii. Czytamy między innymi, że Internet kwantowy pozwoli Amerykanom wznieść ich wyobraźnię na bezprecedensowy poziom kreatywności, która rozszerzy przestrzeń ludzkiej wolności.

Stany Zjednoczone dołączyły do ​​Unii Europejskiej i Chin, wykazując żywe zainteresowanie koncepcją komunikacji kwantowej. Ale czym dokładnie jest internet kwantowy, jak działa i jakie cuda może osiągnąć?

Komputery kwantowe są wielką nadzieją na rozwiązanie problemów z kryptografią i optymalizacją. Ale czym będą komputery kwantowe, co będą potrafiły a czego nie będą w stanie zrobić, oraz jakie są wyzwania, przed którymi wciąż stoimy.

Czym jest internet kwantowy?

Internet kwantowy to sieć, która umożliwia urządzeniom kwantowym wymianę niektórych informacji w środowisku, które wykorzystuje dziwne prawa mechaniki kwantowej. Teoretycznie dałoby to internetowi kwantowemu niespotykane dotąd możliwości, których nie da się osiągnąć za pomocą dzisiejszych aplikacji internetowych.

W świecie kwantowym dane mogą być kodowane w stanie kubitów (czyli kwantowych bitów), które można tworzyć w urządzeniach kwantowych, takich jak komputer kwantowy lub procesor kwantowy. Kubity mogą przybierać wartości 1 i 0 jednocześnie – jest to tzw. superpozycja, dzięki której moc obliczeniowa wzrasta w ogromnym tempie! A internet kwantowy, w uproszczeniu, będzie wiązał się z wysyłaniem kubitów przez sieć wielu urządzeń kwantowych, które są fizycznie odseparowane. Co najważniejsze, wszystko to stałoby się dzięki dziwacznym właściwościom, które są unikalne dla stanów kwantowych.

To może brzmieć podobnie do standardowego internetu. Jednak wysyłanie kubitów przez kanał kwantowy, a nie przez kanał klasyczny, skutecznie oznacza wykorzystanie zachowania cząstek w ich najmniejszej skali – tak zwanych „stanów kwantowych”, które od dziesięcioleci wywołują zachwyt i konsternację wśród naukowców.

A prawa fizyki kwantowej, które leżą u podstaw sposobu, w jaki informacje będą przesyłane w internecie kwantowym, są zupełnie nieznane. W rzeczywistości są one dziwne, sprzeczne z intuicją, a czasami nawet pozornie nadprzyrodzone.

Aby zrozumieć, jak działa kwantowy ekosystem Internetu 2.0, musisz zapomnieć wszystko, co wiesz o klasycznych komputerach. Ponieważ niewiele z kwantowego internetu będzie przypominać Twoją ulubioną przeglądarkę internetową.

Jaki rodzaj informacji możemy przesyłać przez internet kwantowy?

Krótko mówiąc, niewiele. z tego, do czego większość użytkowników jest przyzwyczajona. Przynajmniej przez kilka następnych dziesięcioleci nie powinniśmy oczekiwać, że pewnego dnia wskoczymy na spotkanie w kwantowym Zoomie.

Kluczem do komunikacji kwantowej jest fakt, że kubity, które wykorzystują podstawowe prawa mechaniki kwantowej, zachowują się zupełnie inaczej niż bity klasyczne. Klasyczny bit może być efektywnie tylko jednym z dwóch stanów. Tak jak włącznik światła musi być włączony lub wyłączony, tak jak kot musi być martwy lub żywy, tak i bit musi reprezentować 0 lub 1.

Kot Schrödingera
Hipotetyczny kot Schrödingera jest zamknięty w pudełku z trucizną, którą uwalnia losowy proces rozpadu radioaktywnego. Dopóki nie zajrzymy do środka, zwierzę jest dla nas jednocześnie żywe i martwe.

Zupełnie inaczej jest z kubitami, które nakładają się na siebie: mogą przyjmować jednocześnie wartości 0 i 1, w specjalnym stanie kwantowym, który nie istnieje w świecie klasycznym. To trochę tak, jakbyś mógł być jednocześnie po lewej i prawej stronie sofy. Tak jak kot Schrödingera jest jednocześnie żywy i martwy. Paradoks polega na tym, że sam akt pomiaru kubitu oznacza, że ​​jest mu przypisany stan. Zmierzony kubit automatycznie wypada ze stanu podwójnego i zostaje zdegradowany do 0 lub 1, tak jak bit klasyczny.

Całe zjawisko nazywa się superpozycją i leży u podstaw mechaniki kwantowej.

Nic dziwnego, że kubity nie mogą być używane do wysyłania danych, które znamy, takich jak e-maile i wiadomości WhatsApp. Ale dziwne zachowanie kubitów otwiera ogromne możliwości w innych, bardziej niszowych zastosowaniach.

Komunikacja kwantowa jest bezpieczniejsza

Jedną z najbardziej ekscytujących dróg, którą badają naukowcy uzbrojeni w kubity, jest bezpieczeństwo. Jeśli chodzi o klasyczną komunikację, większość danych jest zabezpieczana poprzez dystrybucję wspólnego klucza do nadawcy i odbiorcy, a następnie użycie tego wspólnego klucza do zaszyfrowania wiadomości. Odbiorca może następnie użyć swojego klucza do zdekodowania danych na swoim końcu.

Bezpieczeństwo większości klasycznej obecnie komunikacji opiera się na algorytmie tworzenia kluczy, które są trudne do złamania dla hakerów, ale nie jest to niemożliwe. Dlatego naukowcy zastanawiają się nad uczynieniem tego procesu komunikacji „kwantowym”. Koncepcja ta leży u podstaw rodzącej się dziedziny cyberbezpieczeństwa zwanego dystrybucją klucza kwantowego (QKD – ang. Quantum Key Distribution).

QKD działa w ten sposób, że jedna z dwóch stron szyfruje fragment klasycznych danych, kodując klucz kryptograficzny na kubitach. Nadawca następnie przesyła te kubity do drugiej osoby, która mierzy kubity w celu uzyskania wartości kluczy. Pomiar powoduje załamanie się kubitu; ale ważna jest wartość, która jest odczytywana podczas procesu pomiarowego. W pewnym sensie kubit służy tylko do transportu wartości klucza.

Co ważniejsze, QKD oznacza, że ​​łatwo jest dowiedzieć się, czy osoba trzecia podsłuchiwała kubity podczas transmisji, ponieważ intruz mógł spowodować zawalenie się klucza po prostu patrząc na niego.

Bezpieczna komunikacja kwantowa
Bezpieczna komunikacja kwantowa

Gdyby haker podejrzał kubity w dowolnym momencie podczas ich wysyłania, automatycznie zmieniłoby to stan kubitów. Szpieg nieuchronnie pozostawiłby po sobie ślad podsłuchiwania – dlatego kryptolodzy utrzymują, że QKD jest bezpiecznym i „potwierdzonym” sposobem przesyłania danych.

Dlaczego potrzebujemy internetu kwantowego?

Technologia QKD jest na bardzo wczesnym etapie. „Zwykły” obecnie sposób tworzenia QKD polega na wysyłaniu kubitów w jedną stronę do odbiornika za pomocą kabli światłowodowych – ale te znacznie ograniczają skuteczność protokołu.

Kubity mogą łatwo zgubić się lub rozproszyć w kablu światłowodowym, co oznacza, że ​​sygnały kwantowe są bardzo podatne na błędy i mają trudności z pokonywaniem dużych odległości. W rzeczywistości obecne eksperymenty ograniczają się do maksymalnie setek kilometrów.

Istnieje inne rozwiązanie, i to ono stanowi podstawę internetu kwantowego: wykorzystać inną właściwość kwantową, zwaną splątaniem, do komunikacji między dwoma urządzeniami. Na czym to polega?

Kiedy dwa kubity wchodzą w interakcję i splątają się, dzielą one określone właściwości, które są od siebie zależne. Gdy kubity znajda się w stanie splątanym, każda zmiana jednej cząstki w parze spowoduje zmiany w drugiej, nawet jeśli są one fizycznie oddzielone od siebie.

Stan pierwszego kubitu można zatem „odczytać”, obserwując zachowanie jego splątanego odpowiednika. Zgadza się: nawet Albert Einstein nazwał całość „upiorną akcją na odległość”.

A w kontekście komunikacji kwantowej splątanie może w efekcie teleportować niektóre informacje z jednego kubitu do jego splątanej drugiej połowy, bez potrzeby fizycznego kanału łączącego te dwa kubity podczas transmisji.

Na czym polega splątanie?

Samo pojęcie teleportacji z definicji oznacza brak fizycznej sieci łączącej komunikujące się urządzenia. Ale splątanie musi być najpierw stworzone, a potem podtrzymane.

Aby przeprowadzić QKD z wykorzystaniem splątania, należy zbudować odpowiednią infrastrukturę, aby najpierw utworzyć pary splątanych kubitów, a następnie rozdzielić je między nadawcą a odbiorcą. Tworzy to kanał „teleportacji”, przez który można wymieniać klucze kryptograficzne. W szczególności, gdy splątane kubity zostaną wygenerowane, musisz wysłać połowę pary do odbiorcy klucza. Splątany kubit może na przykład podróżować przez sieci światłowodowe – ale te nie są w stanie utrzymać splątania po około 100 km (60 milach).

Kubity można również utrzymywać splątane na dużych odległościach za pośrednictwem satelity, ale pokrycie planety urządzeniami kwantowymi w przestrzeni kosmicznej jest obecnie zbyt drogie.

Dlatego wciąż istnieją ogromne wyzwania inżynieryjne związane z budowaniem „sieci teleportacji” na dużą skalę, które mogłyby skutecznie łączyć kubity na całym świecie. Gdy sieć splątania będzie gotowa, magia może się rozpocząć: połączone kubity nie będą już musiały przechodzić przez żadną formę infrastruktury fizycznej, aby dostarczyć swoją wiadomość.

Prosta sieć kwantowa

Fizycy wykorzystali zjawisko splątania do stworzenia sieci łączącej 3 urządzenia kwantowe. każde z nich zawiera kubity (kwantowe bity informacji) i może łączyć się za pomocą splątania z dwoma pozostałymi. Na takiej podstawie może działać przyszły internet kwantowy.
(fot. Focus Polska via nature)

Co to jest splątanie? (mechanika kwantowa)

Dlatego podczas transmisji klucz kwantowy byłby praktycznie niewidoczny dla osób trzecich, niemożliwy do przechwycenia i niezawodnie „teleportowany” z jednego punktu końcowego do drugiego. Pomysł ten dobrze sprawdzi się w branżach zajmujących się danymi wrażliwymi, takich jak bankowość, służba zdrowia czy komunikacja lotnicza. I jest prawdopodobne, że rządy siedzące na ściśle tajnych informacjach będą jednymi z pierwszych użytkowników tej technologii.

Co jeszcze będziemy mogli zrobić z internetem kwantowym?

Po co zawracać sobie głowę splątaniem? możesz zapytać. W końcu naukowcy mogliby po prostu znaleźć sposoby na ulepszenie „zwykłej” postaci QKD. Na przykład wzmacniacze kwantowe mogą znacznie zwiększyć odległość komunikacji w kablach światłowodowych, bez konieczności posuwania się tak daleko, aby splątać kubity.

Splątanie może mieć ogromne znaczenie dla innych zastosowań. QKD jest najczęściej dyskutowanym przykładem tego, co może osiągnąć internet kwantowy, ponieważ jest to najbardziej dostępne zastosowanie tej technologii. Ale bezpieczeństwo nie jest jedyną dziedziną, która wzbudza ekscytację wśród badaczy.

Sieć splątana wykorzystywana w QKD może być również wykorzystana na przykład do zapewnienia niezawodnego sposobu budowania klastrów kwantowych złożonych ze splątanych kubitów znajdujących się w różnych urządzeniach kwantowych. Naukowcy nie będą potrzebować szczególnie wydajnego sprzętu kwantowego, aby połączyć się z internetem kwantowym – w rzeczywistości nawet procesor z jednym kubitem może wykonać takie zadanie. Jednak łącząc ze sobą urządzenia kwantowe, które w obecnej sytuacji mają ograniczone możliwości, naukowcy oczekują, że uda im się stworzyć superkomputer kwantowy, który przewyższy je wszystkie.

Dzięki połączeniu wielu mniejszych urządzeń kwantowych internet kwantowy mógłby zatem zacząć rozwiązywać problemy, które są obecnie niemożliwe do osiągnięcia na jednym komputerze kwantowym. Obejmuje to przyspieszenie wymiany ogromnych ilości danych oraz przeprowadzanie wielkoskalowych eksperymentów detekcyjnych w astronomii, odkrywaniu materiałów i naukach przyrodniczych.

Z tego powodu naukowcy są przekonani, że moglibyśmy czerpać korzyści z internetu kwantowego, zanim giganci technologiczni, tacy jak Google i IBM, osiągną nawet supremację kwantową – moment, w którym pojedynczy komputer kwantowy rozwiąże problem nie do rozwiązania dla klasycznego komputera.

Najbardziej zaawansowane komputery kwantowe Google’a i IBM mają obecnie około 50 kubitów, co samo w sobie stanowi znacznie mniej niż jest to potrzebne do przeprowadzenia fenomenalnych obliczeń potrzebnych do rozwiązania problemów, które mają rozwiązać badania kwantowe.

Z drugiej strony połączenie takich urządzeń za pomocą splątania kwantowego może doprowadzić do powstania klastrów wartych kilka tysięcy kubitów. Dla wielu naukowców stworzenie takiej mocy obliczeniowej jest w rzeczywistości ostatecznym celem projektu internetu kwantowego.

Obliczenia kwantowe są szybsze niż krzemowe – nawet bardzo bardzo!

Dwa lata temu, 23 października 2019 roku nastąpił przełom w technologii kwantowcyh. Google ogłosiło, że osiągnęło tzw. supremacje kwantową – czyli udowodniono, że maszyny kwantowe wykonują obliczenia znacznie szybciej niż krzemowe.

Kwantowy komputer Google’a, dysponujący 53 kubitami, wykonał bardzo skomplikowane działania w czasie 200 sekund. Według konstruktorów, te same obliczenia na tradycyjnym superkomputerze zajęłyby 10 tysięcy lat! Inżynierowie mogli natomiast użyć pewnych sztuczek, aby te 10 tys. lat obliczeń skrócić do ok. 60 godzin. Jednak wciąż jest to tysiąc razy więcej niż około 3 minuty.

Czego nie możemy zrobić dzięki internetowi kwantowemu?

W dającej się przewidzieć przyszłości internet kwantowy nie będzie mógł być wykorzystywany do wymiany danych w taki sposób, jak obecnie robimy to na naszych laptopach. Wyobrażenie sobie uogólnionego, głównego nurtu internetu kwantowego wymagałoby przewidzenia kilkudziesięciu (lub więcej) lat postępu technologicznego. O ile naukowcy marzą o przyszłości internetu kwantowego, nie sposób narysować paraleli między obecnym projektem a sposobem, w jaki przeglądamy sieć na co dzień.

Obecnie wiele badań nad komunikacją kwantową jest poświęconych ustaleniu, jak najlepiej kodować, kompresować i przesyłać informacje dzięki stanom kwantowym. Stany kwantowe są oczywiście znane ze swojej niezwykłej gęstości, a naukowcy są pewni, że jeden węzeł może teleportować ogromną ilość danych.

Ale rodzaj informacji, które naukowcy chcą wysyłać przez internet kwantowy, ma niewiele wspólnego z otwieraniem skrzynki odbiorczej i przewijaniem e-maili. W rzeczywistości zastąpienie klasycznego Internetu nie jest tym, do czego zmierza ta technologia.

Naukowcy mają raczej nadzieję, że Internet kwantowy będzie znajdował się obok klasycznego Internetu i będzie wykorzystywany do bardziej specjalistycznych zastosowań. Internet kwantowy wykona zadania, które na komputerze kwantowym można wykonać szybciej niż na komputerach klasycznych lub które są zbyt trudne do wykonania nawet na najlepszych obecnie istniejących superkomputerach.

Więc na co czekamy?

Naukowcy już wiedzą, jak tworzyć splątanie między kubitami, a nawet z powodzeniem wykorzystują splątanie do QKD. Chiny, wieloletni inwestor w sieci kwantowe, pobiły rekordy w zakresie splątania wywołanego przez satelity. Chińscy naukowcy niedawno odkryli splątanie i osiągnęli QKD na rekordowym dystansie 1200 km (745 mil).

Kolejnym etapem jest jednak rozbudowa infrastruktury. Wszystkie dotychczasowe eksperymenty połączyły tylko dwa punkty końcowe. Teraz, gdy osiągnięto komunikację od punktu do punkt, naukowcy pracują nad stworzeniem sieci, w której wielu nadawców i wielu odbiorców mogłoby wymieniać się za pośrednictwem internetu kwantowego na skalę globalną.

Zasadniczo chodzi o znalezienie najlepszych sposobów na wypuszczanie wielu splątanych kubitów na żądanie, na duże odległości i między wieloma różnymi punktami w tym samym czasie. O wiele łatwiej to powiedzieć, niż zrobić: na przykład utrzymanie splątania między urządzeniem w Chinach a urządzeniem w USA prawdopodobnie wymagałoby węzła pośredniego, oprócz nowych protokołów routingu.

A kraje wybierają różne technologie, jeśli chodzi o ustanowienie splątania w pierwszej kolejności. Podczas gdy Chiny wybierają technologię satelitarną, światłowód jest metodą preferowaną przez Departament Sprawiedliwości Stanów Zjednoczonych, który obecnie próbuje stworzyć sieć wzmacniaczy kwantowych, które mogą zwiększyć odległość oddzielającą splątane kubity.

W Stanach Zjednoczonych cząstki pozostały splątane przez światłowód w 52-milowej „pętli kwantowej” na przedmieściach Chicago, bez potrzeby stosowania wzmacniaczy kwantowych. Sieć zostanie wkrótce połączona z jednym z laboratoriów Departamentu Energii, aby stworzyć 80-milowe stanowisko do testów kwantowych.

GIF by The University of Chicago - Find & Share on GIPHY

W UE w 2018 r. utworzono Quantum Internet Alliance, aby opracować strategię dla Internetu kwantowego, a w zeszłym roku zademonstrowano uwikłanie na odległość ponad 50 km.

Dla badaczy kwantowych celem jest skalowanie sieci najpierw do poziomu krajowego, a pewnego dnia nawet do poziomu międzynarodowego. Zdecydowana większość naukowców zgadza się, że jest to mało prawdopodobne przed upływem kilkudziesięciu lat. Internet kwantowy to bez wątpienia bardzo długoterminowy projekt, z wieloma technicznymi przeszkodami, które wciąż stoją na przeszkodzie. Ale nieoczekiwane wyniki, które technologia nieuchronnie przynosi, spowodują bezcenną podróż naukową, wraz z mnóstwem dziwacznych zastosowań kwantowych, których na razie nie można nawet przewidzieć.

Czy wreszcie jest internet kwantowy?

Jeśli kiedykolwiek brałeś udział w premierze filmu lub wydarzeniu, na którym prezentowany jest nowy typ samochodu, wiesz, że pojawia się lekki szum podekscytowania, który wynika z tego, że nie wiesz, czego się spodziewać. To samo dotyczyło wydarzenia, które obiecało „światową premierę pokazu na żywo następnego kroku w kryptografii kwantowej”. Nie chodziło o to, że całe wydarzenie było owiane tajemnicą, ponieważ przed nim pojawiły się małe zapowiedzi. Mimo to, przy wszystkich ostatnich wydarzeniach związanych z Internetem kwantowym, zastanawialiśmy się: jaki dokładnie jest „stan technologii”, który naukowcy planują zademonstrować?

Wydarzenie, które odbyło się 6 lipca 2021 roku, zostało zorganizowane przez grupę instytutów i firm zajmujących się kryptografią kwantową w Holandii. Wśród nich był QuTech, Politechnika w Delft i Holenderski Instytut Stosowanych Badań Naukowych (TNO). Inną była Quantum Delta NL, holenderska organizacja parasolowa zajmująca się wszystkimi co związane z kwantami, która niedawno stała się spółką zależną rządowej inwestycji o wartości 615 milionów euro, mającej na celu rozwój technologii kwantowej w Holandii. W sprawę zaangażowała się również holenderska firma telekomunikacyjna KPN oraz dostawca sprzętu internetowego Cisco.

Co więc takiego wydarzyło się w tym roku?

Demonstracja miała na celu pokazanie, w jaki sposób trzy punkty sieci kwantowej (węzły) można połączyć za pomocą sieci światłowodowej, wykorzystując jeden węzeł jako punkt centralny. Ze względu na kwantową naturę połączenia, gdyby ktoś próbował szpiegować komunikację, natychmiast byśmy to zauważyli. Ale chociaż posiadanie takiej funkcjonalnej sieci kwantowej jest ekscytujące, podobne rzeczy zostały już zademonstrowane w innych laboratoriach na całym świecie.

Imponujące jest to, że węzły były samodzielnymi urządzeniami. W ramach demonstracji dwa węzły zostały dosłownie umieszczone w furgonetce i przewiezione do dwóch sąsiednich miast oddalonych od siebie o około 25 kilometrów. Trzy węzły zostały następnie połączone za pośrednictwem istniejącej sieci światłowodowej. Aby pokazać, że system działa, demonstranci wygenerowali klucz kwantowy, użyli go do zaszyfrowania wideo na jednym końcu sieci, przesłali wideo przez sieć, a następnie odszyfrowali i obejrzeli na drugim końcu.

W sieci nadal brakuje niektórych kluczowych elementów potrzebnych do jej skalowania, takich jak wzmacniacze kwantowe. Mimo to mogliśmy już zobaczyć superbezpieczny internet kwantowy w akcji.

Nowe wzmacniacze kwantowe mogą umożliwić stworzenie skalowalnego internetu kwantowego

Z punktu widzenia komunikacji naukowej pokaz był bardzo spektakularny, z dobrym połączeniem animacji i paneli dyskusyjnych, uzupełniony pokazami na żywo (jak widać na powyższym nagraniu). Dzięki temu była zrozumiała i atrakcyjna dla zróżnicowanej publiczności. Byłto również świetny przykład tego, w jaki badania akademickie i przemysł naprawdę się połączyły. Tutaj zainteresowani użytkownicy mogli już zgłosić się, aby pomóc ulepszyć technologię z perspektywy użytkownika. Pokazuje to jak duży jest nacisk na wyprowadzenie tej technologii z laboratorium do naszego codziennego życia.

Czy więc przyszłość kwantowa już nadeszła? Nie, jeszcze nie. Ale udało nam się rzucić okiem na to, jak to wygląda. Jako entuzjasta kwantów muszę powiedzieć, że podoba mi się to, co zobaczyłem.

źródło: ZdNet | Focus nr 10/312 (październik 2021) | Physics World | University of Chicago Office of Communications| Science Daily | Mirabilis Design