Trumpova administrativa chce v příštím roce investovat 237 milionů dolarů na podporu výzkumu kvantových informací. Jedním z výsledků by měl být takzvaný kvantový internet, který v tuto chvíli existuje pouze v podobě několika prototypových sítí.
Stávající koncept internetu má základy v 60. letech minulého století, kdy vznikl jako odpověď na požadavky na vzájemné propojení počítačů. Technologie, která původně sloužila pro strategické a vojenské použití, se v průběhu let stala součástí běžného života.
USA investují miliony
V návrhu rozpočtu Spojených států pro rok 2021 je počítáno s navýšením financí na vědecký výzkum kvantových informací o 10 % na 237 milionů dolarů. Z této částky má 25 milionů putovat konkrétně na „urychlení vývoje kvantového internetu“.
Tímto tématem se zabývají i další země, realizující kvantové výzkumné programy, a USA pochopitelně nechtějí zůstat pozadu. „Tato úroveň financování nám umožní začít rozvíjet základy sofistikovaných, praktických a velice efektivních kvantových sítí,“ říká David Awschalom, kvantový inženýr na University of Chicago. „Je to významné a nesmírně důležité.“
Vývoj probíhá také například v Číně, kde již otestovali aplikaci pro kvantové šifrování. Plně kvantových sítí, propojujících celé země, se však dle odborníků dočkáme až v řádu několika desetiletí. Nová technologie bude především vyžadovat kompletní změnu hardwaru a infrastruktury.
Věda za kvantovým internetem
V dnešním internetu je základní jednotkou informace jeden bit, který může nabývat pouze dvou hodnot. Při určitém zjednodušení si tak veškerou komunikaci můžeme představit jako sekvenci jedniček a nul, ze kterých se následně „skládají“ nejrůznější typy dat.
Na bity narazíme prakticky ve všech komponentách dnešních počítačů – na pevných discích jsou data uložena ve dvou stavech, stejným způsobem pracuje i procesor, operační paměť, grafická karta či síťové přenosy.
V případě kvantového internetu je základní jednotkou kvantový bit neboli qubit. Tato jednotka je sice odvozena od bitu, nicméně kromě hodnot 0 a 1 může nabývat i takzvané „superpozice“. V takovém případě konkrétní hodnotu nabude až v okamžiku měření a může například nabývat hodnoty 0 i 1 současně.
Kvantové bity představují úplně jiný „jazyk“, založený na chování atomů, elektronů a dalších částic a objektů řídících se pravidly kvantové mechaniky. Neexistují tedy pouze dva stavy, což vyžaduje výrazně jiný koncept zpracování.
Infrastruktura kvantové sítě
Kvantové sítě jsou, a především budou důležitým prvkem kvantových výpočetních a komunikačních systémů. Jejich úkolem je přenos informací mezi fyzicky oddělenými kvantovými procesory. Pracují podobně jako klasické sítě – hlavní rozdíl spočívá v tom, že kvantové sítě, stejně jako kvantové výpočty, jsou lepší při řešení určitých problémů.
V současné době se můžeme setkat s kvantovými sítěmi, tvořícími výpočetní klastry, nicméně ty jsou realizovány pouze na krátké vzdálenosti. Spojují kvantové procesory, umožňují jejich spolupráci a tím poskytují větší výpočetní potenciál.
Pojem „kvantový internet“ je v tomto směru spíše vizí než realitou, ve které budou data přenášena na větší vzdálenosti. Základní struktura kvantové sítě a obecněji kvantového internetu je podobná klasické sítí – máme zde tedy koncové uzly, na kterých běží nějaké aplikace.
Na přenos kvantových bitů potřebujeme komunikační linky – v tomto směru lze použít standardní telekomunikační vlákna. Pro maximální využití komunikační infrastruktury je třeba optických přepínačů schopných zpracovávat a doručovat qubity.
Na velké vzdálenosti jsou nezbytností fotonické opakovače, které budou pracovat zásadně odlišně od těch současných, neboť kvantové bity nelze kopírovat, a klasické zesílení signálu není v jejich případě možné. Kvantový internet tedy nelze postavit na stávajícím hardwaru – bude vyžadovat svou vlastní infrastrukturu.
Kvantová budoucnost
Ačkoli se může zdát, že existuje nutná spojitost mezi kvantovým počítačem a kvantovým internetem, opak je pravdou. Kvantový počítač nepotřebuje kvantový internet a naopak. Podle vědců se dříve dočkáme kvantového internetu, jehož schopnosti lze používat v ranějších vývojových fázích. Zpočátku se stane doplňkem klasického internetu, který později zcela nahradí.
Podobně, jako u klasického internetu, lze i u toho kvantového předpokládat, že ho nejdříve budou využívat vědecké, vládní a vojenské instituce. Pro ně bude mít význam především kvůli zabezpečení dat, což je také jeden z důvodů, proč do této technologie investují velké státy, jako je Čína nebo USA.
Kromě lepší bezpečnosti by kvantový internet měl díky jevu, označovanému jako kvantové provázání (situace, kdy lze stav jedné ze dvou částic zjistit „přečtením“ té druhé), přinést také vyšší rychlost. Větší šířka pásma umožní propojení super-výkonných kvantových počítačů a dalších zařízení, což by se stávajícím internetem nebylo možné.
„Kvantový internet bude platformou kvantového ekosystému, kde si počítače, sítě a senzory vyměňují informace zásadně novým způsobem, kdy snímání, komunikace a výpočetní technika doslova spolupracují jako jedna entita,“ vysvětluje profesor David Awschalom z University of Chicago.
Bezpečnější internet
V únoru 2020 se vědci z Argonne National Laboratory v USA a University of Chicago pochlubili tím, že úspěšně dosáhli kvantového provázání. Dvě částice byly spojeny tak, že jejich stavy byly stejné, přestože je dělila vzdálenost bezmála 84 kilometrů. V tomto směru jde o chování hmoty a energie v nejmenším měřítku, které se zásadně liší od světa, jež můžeme vidět kolem nás.
Kvantový internet nemá být přinejmenším zpočátku náhradou běžného internetu, který používáme dnes. Spíše bude jeho doplňkem, jež vyřeší některé problémy. Může například poskytovat mnohem větší ochranu před hackery a počítačovými zločinci.
Zatímco dnes lze přenášená data odchytit, případně i modifikovat, kvantový internet nic takového neumožňuje. Kvantové sítě používají částice světelných fotonů, které nejsou zranitelné vůči kybernetickým útokům. Namísto šifrování pomocí matematických výpočtů bude spoléhat na specifická pravidla kvantové fyziky. Snaha o zachycení informace nevyhnutelně skončí jejím zničením.
Kvantová teleportace
„Nejjednodušší způsob, jak porozumět kvantovému internetu, je koncept kvantové teleportace,“ říká Sumeet Khatri, vědecký pracovník na Louisianské státní univerzitě v Baton Rouge. Spolu s kolegy napsal článek o proveditelnosti kosmického kvantového internetu, ve kterém by satelity nepřetržitě vysílaly „zapletené fotony“ na zemský povrch.
„Kvantová teleportace se liší od toho, co můžeme znát ze sci-fi filmů,“ říká Khatri. „V kvantové teleportaci sdílejí dva lidé, kteří chtějí komunikovat, dvojici částic, které jsou provázané. Pak může odesílatel poslat jakékoli kvantové informace do přijímače. Tato kolekce sdíleného provázání mezi páry lidí na celém světě v zásadě představuje kvantový internet. Hlavní otázkou dalšího výzkumu je, jak nejlépe distribuovat tyto provázané páry částic lidem po celém světě.“
Jakmile to bude možné ve velkém měřítku, bude kvantový internet tak rychlý, že vzdálené hodiny půjde synchronizovat asi tisíckrát přesněji než nejlepší atomové hodiny, které jsou dnes k dispozici. Díky tomu dojde ke zvýšení přesnosti satelitních pozičních systémů a bude možné mapovat gravitační pole Země tak podrobně, že by vědci mohli spatřit vlnění gravitačních vln.
Výzvy při budování kvantového internetu
Než se však něco z toho stane, musí vědci přijít na to, jak vybudovat kvantový internet, což s ohledem na stávající omezené znalosti kvantové mechaniky nebude snadné. Jedním z problémů, který bude nutné vyřešit, je fakt, že kvantové informaci odpovídá velmi malé množství energie, přičemž je obtížné zabránit tomu, aby interagovala s vnějším světem. Dnes testované kvantové systémy většinou pracují jen při velmi nízkých teplotách, případně ve vakuu.
Aby bylo možné realizovat funkční kvantový internet, budeme potřebovat hardware, který ještě nebyl vyvinut. Nyní tedy nelze směrodatně říci, kdy přesně bude kvantový internet spuštěn. Číňané, kteří se tomuto tématu intenzivně věnují, odhadují, že první fáze by mohla začít již v roce 2030.
