Kvantový internet je na dosah ruky. Čím bude revolučný?

Na niekoľko minút v noci v niektorých častiach Číny je najjasnejším svetlom na oblohe žiara satelitu Micius, ktorý strieľa zelený laser na Zem, keď sa preháňa vesmírom. 

Micius nie je priemerný telekomunikačný satelit. 29. septembra 2017 prepísal históriu úžasný výkon, ktorý využil tajomné vlastnosti kvantového spletenia, toho, čo Albert Einstein nazval strašidelným zásahom na diaľku, a "teleportoval" informácie do vesmíru a späť. Pritom umožnil prvý medzikontinentálny videohovor medzi Pekingom a Viedňou, ktorý bol úplne nehacknuteľný.

Kvantové počítače vs šifrovacie techniky

Zvláštna veda o kvantovej fyzike, ktorá ovláda Micius, je v centre technologických pretekov. Na jednej strane sú kvantové počítače, ktoré sú ešte v začiatkoch, ale majú obrovský potenciál, akonáhle vzrastie ich sila. Medzi najviac cenené a obávané aplikácie patrí schopnosť prelomiť komplexné matematické zámky, ktoré teraz zabezpečujú počítačové šifrovacie systémy. Vďaka nim môžete s istotou vykonávať finančné transakcie cez internet. Na druhej strane sú šifrovacie techniky, ktoré sa tiež spoliehajú na zákony kvantovej fyziky.

Až donedávna sa vedcom podarilo vykonať kvantové šifrovacie práce len na vzdialenosť približne sto kilometrov. Čínski vedci sa s Miciusom to teraz dosiahli po celom svete. "Predstavujem priestorovo integrovaný kvantový internet," hovorí Pan Jianwei, ktorého tím sa stal prvým účastníkom kvantovej komunikácie po zapnutí Miciusa.

Tento kvantový internet bude nepochybne bezpečný a znepokojivo zvláštny, otvorí nové okná pre vedu a výpočtové systémy.

Čínsky fyzik Pan si urobil meno s prevratným prieskumom kvantového spletenia, tým druhom telepatie medzi subatomickými časticami, ktoré preslávil Einstein.

Po spustení Miciusa z kozmodrómu Jiuquan vo Vnútornom Mongolsku v auguste 2016 začal vykonávať sériu experimentov. V ich jadre bol gadget založený na kryštáloch, ktorý produkuje dvojice zapletených fotónov a posiela ich cez úzko sústredené laserové lúče k prijímacím staniciam na zemi.

Jeho tím najprv zaviedol spojenia medzi pozemnými stanicami vnútri Číny. Potom sa im podarilo vyslať kvantový stav častice, takzvanú kvantovú teleportáciu, ktorá bude dôležitou technikou komunikácie kvantových počítačov. 

Kvantová technológia je kľúčovou výskumnou prioritou pre čínsku vládu, ako aj pre mnohé ďalšie.

"Bezpečnosť je veľkým predajným miestom," hovorí Jacq Romero, odborník na fotoniku na univerzite v Queenslande. Kvantová sieť by mohla byť použitá aj na realizáciu ďalších návrhov, ako sú superteleskopy, ktoré kombinujú svetlo z viacerých teleskopov a masívne zvyšujú astronomické pozorovania.

Druhá kvantová revolúcia

Práca, ktorú Pan a ďalší vedci teraz robia, je súčasťou toho, čo niektorí nazývajú "druhou kvantovou revolúciou". Prvá kvantová revolúcia sa začala v prvých desaťročiach 20. storočia s objavením bizarných zákonov v subatomickej sfére, v ktorej môže byť objekt vlnou aj časticou. Tieto technológie priniesli v ére modernej elektroniky zariadenia ako tranzistor, laser a solárne články.

V druhej kvantovej revolúcii vedci uplatňujú kvantové pravidlá na základné myšlienky informačnej technológie.

Klasické výpočty sa opierajú o binárne informácie, reprezentované bitmi, ktoré sú buď 1s, alebo 0s. Kvantová informácia používa kvantové bity alebo qubity, ktoré môžu byť súčasne v stave 1 aj v 0. To sa dá dosiahnuť napríklad pomocou magnetického toku elektrónov, ktorý môže byť "hore", "dole" alebo nejaká kombinácia hore a dole. Tento kombinovaný kvantový stav, známy ako "superpozícia", je prvým z niekoľkých konceptov, ktoré tvoria základ druhej kvantovej revolúcie. 

Druhým dôležitým pojmom je spletenie, kde správanie vzdialených častíc môže byť neoddeliteľne spojené  alebo "zapletené". Keď sa meria jedna zamotaná častica, jej partner je okamžite viazaný touto voľbou, bez ohľadu na to, ako ďaleko je. Zapojenie je kľúčom k kvantovej komunikácii.

Tretím pojmom je neklonovacia teoréma, ktorá hovorí, že informácie v kvantovej častice nemožno nikdy úplne kopírovať bez zmeny stavu častice. Hacker môže urobiť kópiu e-mailu bez toho, aby ste o tom niekedy vedeli, nabúranie kvantového systému je však viazané zákonmi fyziky, aby zanechalo stopy.

Tieto fenomény spoločne pripravujú cestu pre kvantové počítače, ktoré dokážu spracovať veľké problémy s údajmi. Zahŕňa to efektívne reverzné inžinierstvo šifrovacích kľúčov, ktoré chránia internetové bankovníctvo. Zároveň umožňujú kvantovú komunikáciu, ktorá je odolná voči hacknutiu, pri ktorej sa vždy môže odhaliť odpočúvanie.

Problémom sú dlhé vzdialenosti

Najdôležitejšou prekážkou, ktorú treba prekonať pri vytváraní globálnej kvantovej siete, je "globálna" časť, a to že dlhé vzdialenosti sú skutočným problémom.

Po najviac pár stovkách kilometrov bude signál bude príliš slabý na to, aby sa mohol použiť na komunikáciu. Jednou z možností je Panova schéma - vytvoriť spojenia prostredníctvom družice, ktorá obieha okolo sveta a zapáli fotóny z vesmíru pomocou laserového lúča.

Ďalším prístupom je použitie zosilňovačov na retransmisiu vyblednutých signálov. Polkvantový systém vytvára kvantové prepojenia pozdĺž reťazca "dôveryhodných uzlov", ktoré dekódujú a rekódujú signál. Najdlhším takýmto spojením v prevádzke je plynovod dlhý 2 000 km, ktorý prechádza z Pekingu do Šanghaja cez Jinan a Hefei. Tieto dôveryhodné uzly sú užitočné pre distribúciu kľúčov - potenciálny hacker by mohol čítať kľúč len tak, že by mal prístup k samotnému uzlu. Uzly však nerozširujú dosah spletenia.

To si bude vyžadovať vytvorenie takzvaného kvantového zosilňovača, zariadenia, ktoré môže prijímať kvantový signál a opäť ho prenášať bez toho, aby zničilo kvantový stav.

Niektoré z najsľubnejších výskumov sa robia na austrálskej univerzite, kde Matthew Sellars a Rose Ahlefeldt našli spôsob použitia kryštálov dopovaných atómami erbia na ukladanie a uvoľňovanie fotónov s vlnovou dĺžkou. Sellars a Ahlefeldt dúfajú, že v nasledujúcom roku alebo dvoch preukážu základné funkcie zosilňovača. Jednou neistotou je, aký dopyt bude mať: "Nikto predtým ešte nikto nemal kvantový internet."

Ako dlho bude trvať, kým sa vybuduje vyspelá globálna kvantová sieť? Hoci mnohé základné technológie sú stále v prototypovej forme, Pan verí, že pokrok bude rýchly. "Možno to bude trvať 10 rokov," háda.

Tím, ktorý sídli na Delftskej technickej univerzite v Holandsku, však dúfa, že bude mať do roku 2020 malú sieť spájajúcu štyri holandské mestá na vzdialenosti desiatok kilometrov, ktoré nebudú vyžadovať kvantové zosilňovače. 

Kvantová komunikácia umožní obežným satelitom zlepšiť systémy GPS, mapovať zemské gravitačné pole v nebývalých detailoch a dokonca zachytiť malé vlnky prechádzajúce gravitačné vlny.