Kvantový internet a distribuce kvantově provázaných fotonů

Zabezpečení informace při přenášení z jednoho místa na druhé je v poslední době stále důležitější otázkou. K prolomení šifrování či zabezpečení lze využít výpočetní výkon nebo chyby. V případě využití kvantově provázaných fotonů jsou ale oba tyto typy útoků eliminovány a napadení je dle současných zákonů nemožné.

Než budeme mít ale kvantové počítače a kvantový internet, je potřeba vyřešit několik problémů a jedním z nich je distribuce kvantově provázaných fotonů.

Vývoj kvantového internetu

Vědci už pracují na vývoji budoucího kvantového internetu poměrně dlouho, alespoň z pohledu jednotlivých částí. Dostat dokonale zabezpečenou zprávu mezi dvěma body je stále nutnější a systém kvantově provázaných fotonů zajišťuje zatím neprolomitelnou ochranu.

Kvantové provázání má hlavní výhodu pro bezpečný přenos informací -nemožnost pozměnit či přečíst vygenerované klíče pro šifrování a dešifrování bez toho, aniž by o tom jedna ze stran věděla. Jakákoli změna u jednoho z kvantově provázaných fotonů se okamžitě projeví i na druhém, nezávisle na vzdálenosti. I když už je technologie výroby kvantově provázaných fotonů poměrně dlouho použitelná a relativně odladěná, problém nastává v jejich distribuci k jednotlivým bodům, které mezi sebou mají takto zabezpečenou komunikaci.

Složitá distribuce

U nejcitlivějších informací už některé vládní organizace používají kvantové klíče, jejich distribuce a využití je v dnešní době ale samozřejmě složité a drahé. Kvantově provázané fotony totiž ani v kompatibilních optických sítích neudrží provázanost více než sto kilometrů, protože jsou postupně pohlcené.

Ve vývoji jsou ale už kvantové opakovače, které dokáží udržet kvantové provázání u jednotlivých fotonů a dosáhnout tak na větší vzdálenost. Pracují ale při teplotách blízkých absolutní nule, což je poměrně náročné na stavbu složitější sítě.

Jednoduchým způsobem pro přenesení kvantově svázaných fotonů je kvantová paměť z krystalů uzavřená ve speciálních chlazených a napájených boxech. Pak už stačí naložit na běžné prostředky, třeba loď (Zdroj: Quantum networking)

Nejjednodušší způsob, který ale samozřejmě není použitelný pro budoucí kvantový internet, je fyzický přenos kvantově provázaných fotonů v kvantové paměti. To znamená fyzické přemístění pomocí automobilu, letadla a dalších prostředků.

Satelitní přenos

Vědci z kanadské univerzity v Calgary ale vymýšlí systém, který by pro distribuci kvantově provázaných fotonů používal systém satelitů a optických snímačů na Zemi.

Architektura systému, který využívá pro výrobu kvantově svázaných fotonů satelity a přijímače s teleskopy na Zemi. Zkratky - QND: kvantově nedestruktivní snímací zařízení, QM: kvantová paměť (Zdroj: Entanglement over global distances)

Takové satelity obíhající kolem Země v LEO by obsahovaly generátory kvantově svázaných fotonů, které by pomocí optického spojení dokázaly poslat na jakékoli místě na planetě s připraveným optickým snímačem, který by byl pro tyto fotony přizpůsoben.

Podle plánů stačí i teleskopy s průměrem kolem jednoho metru, přičemž do nejbližší vzdálenosti lze už tyto fotony přenášet pomocí kompatibilní optické sítě. Pro vytvoření a distribuci mezi vzdálenými místy na planetě se ale použije satelit a v něm vyrobené kvantově svázané fotony.

Problém u tohoto řešení je v nemožnosti vylepšení technologie v satelitu, který už není fyzicky dostupný. Jak ale v podrobném dokumentu zmiňují, možný by měl být i systém satelitů, který pouze předává kvantově provázané fotony, přičemž jejich výroba je stále prováděné v přístrojích na Zemi a jsou vysílány optickým spojením do satelitu, který je předá na druhé místo.

Bezpečnost nade vše

Už teď je docela jasné, že i internet se jednou stane kvantovou sítí, zabezpečení nejvyšší úrovně s použitím kvantově provázaných fotonů jsou dnes už v omezeném měřítku používané. DARPA představila první funkční síť s kvantovým šifrováním už v roce 2003, takže jde o poměrně „starou“ technologii. Ostatně podobný scénář byl i u klasického internetu.

Pro použití ve větším měřítku je ale nutné řešit zmíněné distribuční problémy. V případě většiny dnešních přenosů je dostačující standardní ochrana a šifrování, ale jak se ale budou zlepšovat výpočetní možnosti a technologie, bude nutné zlepšovat zabezpečení.

A stejně jako v minulosti lze očekávat, že na kvantové šifrování nejdříve přejdou velké společnosti, obzvláště ty, které centrálně spravují i více než miliardu uživatelů a jednou se pravděpodobně dočkáme kvantového šifrování i v rámci běžného spojení mezi uživateli.