Martin Kysilka, 10. PROSINCE 2018
Kvantový computing se stává jedním z nejžhavějších témat dnešní exponenciální doby. Kvantový počítač bude bezesporu základním kamenem doby kvantové. Podle mnohých expertů to však budou především technologie pro kvantovou komunikaci a kvantový internet, které budou mít největší dopad na naši společnost. Na kvantovém internetu stejně jako na tom dnešním budou vznikat nové projekty a komunity, které budou kvantový svět dále rozšiřovat. Výzkumníci z holandské University of Delft nedávno načrtli plán k sestavení prvního kvantového internetu.
Již podle nynějších úspěchů předních technologických firem jako jsou Google, Microsoft či IBM můžeme usuzovat, že jedna z nadcházejících ér naší historie bude nazývána jako doba kvantová. Bude to doba, ve které bude většina technologií postavena na kvantových qubitech – kvantový ekvivalent počítačových bitů. Unikátnost qubitů spočívá ve schopnosti zaujmout pozici jedničky i nuly ve stejný moment. Tento stav je označován jako „superpozice“. Kvantový computing spoléhá na vzájemné provázání oněch qubitových superstavů. Všechny qubity se díky tomu vzájemně neustále ovlivňují.
Holandští vědci věří, že první aplikace kvantové sítě v malém měřítku bude možná již v následujících pěti letech. Hlavní výhodou kvantových sítí má být rychlost a zabezpečení. Vzájemné propojení qubitů umožňuje téměř instatní komunikaci nezávisle na vzdálenosti. Vůbec tak nezáleží, jak daleko od sebe qubity jsou, působení jednoho má instantní (a měřitelný) dopad na druhý.
Svět kvantového computingu se stále potýká s mnoha problémy. Udržet systém propojených qubitů stabilní představuje pro vývojáře velmi obtížnou překážku. Vnější vlivy totiž ruší a vytlačují qubity z jejich superpozice. Současné kvantové počítače jsou stále příliš malé a náchylné k chybám, než aby ve většině úkolech překonaly nynější superpočítače. Abyste sestavili kvantový počítač schopný překonat ty dnešní, budete potřebovat desítky stabilních qubitů. Pro sestavení použitelné kvantové sítě si však vystačíte jen s několika jednotkami qubitů.
Proč kvantový internet?
Jednou z největších výhod kvantové komunikace je, že ji nelze odposlouchávat. Kvantová mechanika totiž funguje tak, že pokud se pokusíte číst její kvantový stav, tak se onen stav ihned změní, což znamená, že jakýkoliv pokus o zachycení kódované zprávy v kvantovém stavu povede ke změně kontextu.
Zabezpečení
To, co dělá kvantovou síť bezpečnou také představuje největší výzvu: qubity nelze zkopírovat nebo zesilovat. Právě tyto dvě vlastnosti jsou alfou a omegou klasických komunikačních systémů. Na kvantové síti, která by zesilovala a přeposílala signál (trusted repeater networks) se již pracuje. Tato síť podle nizozemských výzkumníků představuje první krok ke kvantovému internetu.
Protože kvantové signály degradují podle toho, jak moc daleko cestují, je nutné posílat zprávu uzel po uzlu (místo, ve kterém se setkávají propojení), aby se pokryla celá vzdálenost. Každé předání je sice zajištěné, ale pokud by dva vzdálené uzly potřebovaly navázat kontakt, tak všechny uzly mezi nimi budou znát obsah oné zprávy, a proto musí být prostřední uzly zabezpečené, aby zpráva zůstala zajištěna.
Stabilní signál
Abychom dosáhli další fáze, je potřeba vyvinout spolehlivý kvantový opakovač (repeater) – aktivní síťový prvek, jenž přijímá zkreslený nebo poškozený signál, který následně opraví či zesílí a posílá dále.
V případě kvantové sítě opakovač slouží jako nástroj pro roztřídění zamotaných qubitů pro každý uzel. Kvantová teleportace poté zpřehází jednotlivé svazky tak, aby se spojily dva konkrétní uzly. Síť propojená těmito opakovači umožní danému uzlu bezpečně komunikovat s jiným bez toho, aniž by musely věřit prostředníkům.
Hlavním úkolem těchto dvou procesů je rozdělování kvantových klíčů, které umožní konkrétním uzlům sdílet mezi sebou šifrovací klíč, čímž se zabrání potencionálnímu narušení. Proces uzlování vzdálených qubitů je však velmi nestabilní proces. Další metou tak je vývoj sítě, která by dokázala vytvářet uzly qubitů na požádání.
Kvantový cloud
Vývoj kvantové paměti umožní náročnějším komunikačním protokolům ukládat kvantové informace v reálném čase. Kvantové stavy qubitů rapidně degradujou z důvodu zvaného dekoherence neboli kolapsu vlnové funkce. Většina požadavků udrží svůj stav jen několik sekund či setin, což pro síť, jejíž komunikace trvá delší čas, znamená velký problém.
Pokud by však takové kvantové uložiště existovalo, bylo by možné, aby kvantové uzly posílaly své výpočty kvantovému počítači v síti, čímž by v zásadě vznikl i první kvantový cloud.
Shrnutí
Podle výzkumníků by v první fázi nejdřív měla vzniknout jednoduchá síť vzájemně propojených kvantových počítačů, která by pracovala jen s několika qubity a byla by schopná tolerovat jisté chyby. Kvantové počítače by v této síti ještě nebyly tak silné, aby překonaly standardní počítače, nicméně fakt, že by dokázaly pracovat s chybami, by znamenal, že dokážou vykonávat relativně komplexní výpočty a uchovávat kvantové data po delší dobu.
V další fázi by již byly nasazeny skutečně silné (a stabilní) kvantové stroje, které by překonaly nynější počítače a na kterých by se již dala vystavět stabilní distribuovaná síť schopná pracovat s výpočty, které dříve byly zcela nemyslitelné a bezpečně je sdílet po celém světě.
Podle autorů nás ke kvantovému internetu čeká ještě dlouhá cesta. Potřebujeme lepší kódování, lepší uložiště a lepší vysílání kvantových infromací. Především však potřebujeme postavit kvantový ekvivalent internetových komunikačních protokolů.
Dopad: První multi uzlová kvantová síť by měla vzniknout již do pěti let. I když se počítá s tím, že bude mít mnoho chyb a bude velmi nestabilní, umožní nám testovat všechny zmíněné postupy.
Plnohodnotný kvantový internet povede k novým zlomovým technologiím. Jednou z nich může být například kvantový blockchain.
.jpg&t=2)
