Čo to vlastne kvantový internet je? Ako vyzerá a na čo ho potrebujeme? Pozrite sa s nami na to, ako svet napreduje v stavbe budúcej dôležitej chrbtice komunikačných kanálov ľudstva a ponorte sa s nami do znovuobjavenia internetových princípov na úplne novej úrovni.

Stavba globálnych kvantových komunikačných sietí bude patriť k tým najdôležitejším IT projektom 21. storočia. Aj keď ich budúci význam a používanie môže dnes ešte pôsobiť na mnohých ľudí veľmi hmlisto, veľké národné a medzinárodné projekty, ktoré sa rozbehli v rámci Európskej únie, USA, Číny a iných štátov jasne ukazujú, že zhmotňovanie tejto idey je v plnom prúde.

Pred nami je množstvo vedeckých aj technologických výziev, avšak úspechy, ktorých sme svedkami v posledných rokoch, nám ukazujú schodnú cestu k ich realizácii v blízkej dobe. Aj keď kvantový internet priamo súvisí s problematikou kvantových počítačov, je potrebné ho vnímať z hľadiska vývoja, použitia, užitočnosti a realizovateľnosti celkom oddelene.

Z pohľadu existencie skutočne univerzálneho a plnohodnotného kvantového počítača sme stále takpovediac na začiatku cesty. Tomu ako vývoj prebieha, čo je princípom funkcie takýchto počítačov a aké prekážky pred nami stoja, sme sa v minulosti venovali v našom článku: Útok na qubit: ako ďaleko pokročil vývoj kvantových počítačov?

To, či univerzálne a plnohodnotné kvantové počítače skutočne prídu na svet behom tejto dekády, alebo až v tých nasledujúcich, je nezodpovedateľná otázka. Ich súčasná nedokonalá podoba sa vo vedeckej literatúre označuje ako NISQ (Noisy intermediate-scale quantum era), teda niečo ako Ruchová prechodne maloobjemová kvantová éra, pričom v súčasnosti sa stále pokúšame nájsť vhodné použitie a aplikácie, ktoré by dokázali efektívne a nejako významne využívať ich súčasné „neperfektné“ vlastnosti.

Práca pri tvorbe qubitov laserom v šanghajskom kvantovom laboratóriu Čínskej akadémie vied
Práca pri tvorbe qubitov laserom v šanghajskom kvantovom laboratóriu Čínskej akadémie vied /Foto: Zhejiang Daily/

Mnoho vývojárov však verí, že kvantový internet, ktorý existenciu plnohodnotných univerzálnych kvantových počítačov nevyžaduje a bude užitočný a takisto veľmi potrebný aj v ére tých nedokonalých a principiálne veľmi jednoduchých rudimentárnych kvantových strojov, je z hľadiska realizácie omnoho bližšie.

Čína začala na národnej úrovni výrazne podporovať vývoj kvantových komunikačných sietí od roku 2017 a od tej doby výrazne napreduje, každoročne ohlasujúc nové a nové úspechy, napríklad v súvislosti so spojením pomocou laserových lúčov, vyslaných zo satelitov na obežnej dráhe.

V Európe došlo pod patronátom EÚ k zjednoteniu výskumných a vývojových snáh v združení QIA (Quantum Internet Alliance), ktorého úlohou je koordinovať experimenty jednotlivých laboratórií a výskumných inštitúcií európskych krajín, v snahe vytvoriť funkčné a ucelené teoretické základy a funkčné hardvérové prvky pre vybudovanie prvých celokontinentálnych kvantových sietí.

Tento spoločný vedecký a výskumný projekt je od roku 2018 zastrešený aj v rámci iniciatívy Quantum Flagship, čo je v poradí tretia veľká dlhodobá iniciatíva EÚ na finančnú podporu veľkých vedeckých projektov budúcnosti (ďalšími sú Graphene Flagship a Human Brain Project). Každý z nich je zastrešený sumou 1 miliardy eur po dobu 10 rokov.

USA po vzore Číny a EÚ začali takisto svoje výskumné snahy podporovať na úrovni štátu, pričom v roku 2020 začalo Americké ministerstvo energetiky koordinovať prvé veľké národné snahy na výskum praktickej realizovateľnosti a následné zhmotnenie celonárodnej kvantovej siete.

ČO JE TO VLASTNE KVANTOVÝ INTERNET A NA ČO BUDE SLÚŽIŤ?

Pojem „kvantový internet“ môže pôsobiť na prvý pohľad trochu strašidelne a takisto mätúco. Najmä ak ho počujete po prvýkrát a nemáte ani poňatia, čo si máte pod tým predstaviť. Netreba sa však obávať. Jeho základný princíp, význam a aj spôsob jeho operácie a prevádzky dokáže pochopiť aj laik, podobne ako je tomu v prípade klasického internetu.

Na úvod si je kvantový internet vhodné predstaviť ako paralelné dvojča internetu, so zvláštnymi špecifikami. Jeho úlohou nie je súčasný internet nahradiť. Má operovať spoločne s ním, pričom ich vzájomná koexistencia posunie naše možnosti komunikácie na celkom novú úroveň.

Práca na prelomovom kvantovom sieťovom uzle používajúcom teleportáciu  v laboratóriu QuTech v Holandsku
Práca na prelomovom kvantovom sieťovom uzle používajúcom teleportáciu v laboratóriu QuTech v Holandsku /Foto: Marieke de Lorijn/

Kvantový internet bude ozajstná fyzická celosvetová sieť s vlastnou hardvérovou infraštruktúrou, vlastnými smerovačmi a spojovacími uzlami po celom svete. Podobne ako je to v prípade klasického internetu, aj v rámci toho kvantového sa bude posielať digitálna informácia medzi viacerými počítačmi. Rozdielom je, že na kvantovom internete nekomunikujú medzi sebou obyčajné počítače, ale kvantové počítače, ktoré si namiesto klasických bitov v podobe jednotiek a núl posielajú kvantové bity, tzv. qubity (čítané ako „kjúbity“).

Oproti klasickým bitom sú qubity značne špecifické, pretože vďaka špeciálnej kvantovej vlastnosti, ktorú nazývame superpozícia, môžu reprezentovať neurčený a veľmi zvláštny stav, pri ktorom majú hodnotu jednotky aj nuly zároveň. K detailom sa ešte dostaneme, avšak jedným z dôsledkov tohto stavu je, že qubit nie je možné skopírovať, čo má v rámci budovania sietí ďalekosiahly význam. Posielanie kvantových signálov tam a späť, či už optickými vláknami alebo laserovými pulzmi, si preto vyžiada celkom inú hardvérovú infraštruktúru.

Dôvodom, prečo chceme kvantový internet postaviť je, že umožňuje nový okruh úloh a operácií, ktoré je fyzikálne nemožné dosiahnuť na klasickom internete. Jednou zo základných a úplne prvých úloh, na ktoré sa bude používať, je poskytnutie plne zabezpečenej komunikácie. A to nielen v rámci súčasnosti, ale aj v budúcich dekádach či storočiach, v ére existujúcich kvantových počítačov, schopných prelomiť aj astronomicky komplexné šifry.

Kvantový internet nám umožňuje používať tzv. distribúciu kvantového kľúča, ktorého bezpečnosť je tvorená čisto len fyzikálnymi zákonmi kvantovej mechaniky. V základe si je to možné predstaviť tak, že dve strany môžu použiť kvantový internet na vytvorenie neukradnuteľného, neprelomiteľného a neodhaliteľného šifrovacieho kódu, ktorý budú môcť použiť na bezpečné zašifrovanie dát, ktoré si budú medzi sebou posielať klasickým internetom. V základe im pri tom bude stačiť relatívne rudimentárny kvantový hardvér (predstavte si škatuľku podobnú routeru), ktorým budú kvantový kľúč distribuovať.

Druhým a hlavným aspektom budúceho kvantového internetu je poskytnutie spojenia s plnohodnotnými kvantovými počítačmi naprieč svetom. Dôvodom, prečo univerzálne kvantové počítače vlastne vyvíjame, je snaha riešiť určité typy problémov omnoho rýchlejšie ako na klasických počítačoch. Typicky ide o pokročilé simulácie fyzikálneho sveta, hlavne v oboroch ako je napríklad kvantová chémia. Očakávame, že behom tohto storočia budeme môcť univerzálne a plnohodnotné kvantové počítače použiť na reálne kvantové simulácie, ktoré na počítačoch klasického typu nemôžeme vykonať z dôvodu, že by nestačili byť spočítané ani za miliardy rokov, bez ohľadu na ich výkon.

Experimenty s kvantovými opakovačmi na univerzite v kanadskom Toronte
Experimenty s kvantovými opakovačmi na univerzite v kanadskom Toronte /Foto: Jessica MacInnis/

Predstavte si relatívne blízku budúcnosť, v rámci ktorej výskumník bude vyvíjať a hľadať nové pokročilé materiály či lieky, pričom namiesto extrémne nákladných laboratórnych testov, ktoré zaberú veľké množstvo času a financií, vykoná ich presnú simuláciu na kvantovom počítači. Rýchlo tak zistí, či vôbec daný prístup dáva zmysel alebo neobsahuje nejakú fundamentálnu chybu. Až keď je všetko simulačne v poriadku, vykoná reálne experimenty v tomto smere aj fyzicky. Takéto prístupy môžu enormne akcelerovať tempo vývoja.

Pokročilé kvantové počítače však nemôže prevádzkovať ktokoľvek. Ide o nákladné stroje, v cenách miliónov eur, ktoré si vyžadujú náročné prevádzkové podmienky. Ako sa budeme od tých súčasných priekopníckych strojov posúvať k čoraz pokročilejším a výkonnejším (až napokon k tým univerzálnym), je takmer isté, že ich komplexnosť, prevádzková náročnosť aj náklady budú ešte viac stúpať.

Už v blízkej budúcnosti sa preto nevyhnutne budeme stretávať s tým, že špičkové kvantové počítače budú dostupné v rámci cloudu a výskumníci alebo vývojárske spoločnosti k nim budú môcť pristupovať vzdialene a prenajímať si ich prácu na určitý čas. Takýmto spôsobom sa dnes používajú napríklad výkonné superpočítače, zaberajúce celé haly, ktorých výpočtový výkon je prenajímaný na požiadanie.

A práve toto kvantový internet plnohodnotne umožní. Vedecké tímy, firmy a napokon zrejme aj obyčajný jednotlivci budú môcť kvantové počítače používať na diaľku a priamo si s nimi preposielať dáta, určené na výpočet, alebo si naopak preberať ich výsledky (pomyslite napríklad na to, že aj vy osobne dnes používate masívne a nákladné dátové centrá Googlu len tým, že pozeráte videá na YouTube, alebo najpokročilejšie neurónové siete umelej inteligencie tým, že používate napríklad kategorizáciu obrázkov či prekladač).

Ilustrácia čínskeho satelitu Micius posielajúceho spárované qubity na pozemné koncové uzly /Ilustrácia: C. Bickel/

Jednou z veľmi špecifických vlastností kvantového internetu je, že digitálnu kvantovú úlohu bude možné vykonať hoc aj z opačného konca sveta kompletne privátne. Predstavte si, že ste výskumník, ktorý si budúci univerzálny kvantový počítač, prevádzkovaný napríklad firmou ako Google alebo Microsoft, prenajíma na 1 hodinu. Budete pri tom na ňom chcieť spustiť simuláciu chemických vlastností nejakého nového materiálu, ktorý vyvíjate v súvislosti s pokročilými batériami.

Kvantový internet vám umožní, aby ste túto úlohu poslali do kvantového počítača na opačnom konci sveta a dostali hotový výsledok späť bez toho, aby ktokoľvek mohol zistiť, čoho sa váš výpočet vôbec týkal a aký bol jeho výsledok. A to platí nielen pre potenciálnych priemyselných špiónov a iných ľudí snažiacich sa dáta po ceste zachytiť, ale aj pre prevádzkovateľa a majiteľa daného kvantového počítača a dokonca aj pre kvantový počítač samotný, ktorý výpočet bude robiť. Výsledok skrátka kvantovým internetom prevezmete len vy a nikto nebude mať šancu ho po ceste zachytiť a zistiť jeho obsah.

Keď dnes prezentujeme kvantový internet ako niečo, čo nám umožní extrémne bezpečnú komunikáciu a takisto vzájomné spojenie kvantových počítačov, pre mnohých ľudí to bude znieť nezaujímavo. Ak k tomu pridáme možnosť vysoko presnej synchronizácie merania času, čo má význam pre veľmi presné vedecké pokusy a takisto posilnenie klasických metód šifrovania, zrejme tým už záujem laickej verejnosti nadobro stratíme, pretože si kvantový internet spoja s niečím, čo sa ich nikdy nebude týkať.

Toto všetko je však len základná kostra a zároveň špička ľadovca, ktorú sme schopní vidieť dnes. Rozsah budúceho využitia kvantového internetu sa v súčasnosti len ťažko odhaduje. Skúste sa vžiť do roly laika, ktorý sa pred 40 rokmi dopočul o realizácii internetu a dozvedel sa, že bude slúžiť na spojenie počítačov a ich vzájomnú komunikáciu, pričom ho budú používať predovšetkým rôzne univerzitné výskumné tímy a vedecké inštitúcie.

To všetko bola pravda a pre mnohých to znelo nepochybne rovnako „nezaujímavo“. Pri pohľade na dnešný internet a jeho vplyv na celú ľudskú spoločnosť však vidíte, že ten pôvodný popis „vlastností internetu“ nemal šancu predostrieť ozajstnú budúcnosť. V podobnej vágnosti je dnes nevyhnutne zahalená aj podoba využitia kvantového internetu a jeho osohu pre spoločnosť v horizonte pol storočia.

AKO KVANTOVÝ INTERNET VLASTNE FUNGUJE A ČO JE NA ŇOM KVANTOVÉ

Kvantové vlastnosti nášho sveta, existujúceho v malých subatomárnych rozmeroch, sú mimoriadne neintuitívne. Vďaka úžasným špecifikám a princípom preto ani nie je prekvapivé, že samotné slovo „kvantové“ sa často stáva obeťou rôzneho zneužívania v súvislosti s pavedou a rôznymi inými nezmyslami.

V prípade kvantového internetu však nejde o tento prípad. Toto označenie má vedecký podtext a význam a nejde o žiadne hranie sa so slovíčkami. Treba však ale myslieť na to, že pojem „kvantový internet“ alebo „kvantová sieť“ nie je príliš striktne definovaný a v základe vyjadruje len to, že ide o spoľahlivú schopnosť posielania kvantových signálov tam a spať na veľkú diaľku, respektíve po celom svete.

Potenciálne existuje niekoľko odlišných ciest, ako to dosiahnuť, pričom tie najperspektívnejšie preskúmavame a snažíme sa ich experimentálne realizovať. V budúcnosti bude mať kvantový internet jasne definované hardvérové prvky, protokoly a mechanizmy, podobne ako má dnes klasický Internet, avšak v súčasnosti ich len hľadáme a budeme teda postupne po prvýkrát konštruovať.

Experimentálny vývoj sieťových kvantových čipov bez použitia kryogeniky na technickej univerzite v holandskom Delfte
Experimentálny vývoj sieťových kvantových čipov bez použitia kryogeniky na technickej univerzite v holandskom Delfte /Foto: TU Delft/

Ako sme už nahryzli vyššie, základnou jednotkou informácie, ktorú je potrebné kvantovým internetom posielať, je qubit. Jeho vhodným fyzickým reprezentantom, teda nosičom, je fotón, čo je subatomárna a prakticky bodová (nedeliteľná) častica svetla.

Má pritom premennú vlastnosť, ktorá sa vo fyzike označuje ako „spin“ (vnútorný moment hybnosti), čo môže reprezentovať hodnotu 1 a 0. Na vhodnú laickú vizualizáciu si to možno predstaviť ako to, že fótón rotuje okolo svojej „osi“ doľava alebo doprava, i keď v realite sa nič také nedeje, pretože na to nemá žiadny rozmer. Fotón môžeme polarizovať a vystaviť ho do špecifickej kvantovej superpozície, pri ktorej sa celkom neintuitívne a nelogicky správa tak, ako by sa „točil“ do oboch smerov zároveň, čím reprezentuje hodnotu 1 aj 0 súčasne a plní rolu qubitu.

V základe ide o to, že častica má tento „obojaký“ kvantový stav len do momentu, ako sa ho s presnosťou pokúsime zistiť. V momente, ako stav spinu meriame, alebo skrátka častica len fyzicky silno reaguje s okolím, čo ju donúti stav spinu „prezradiť“, sa superpozícia náhodne zrúti len do jednej alebo druhej polohy. Je celkom normálne ak vás láka povedať, že nejaký konkrétny smer spinu mala už od začiatku a v danom momente sme ho len zistili. Nie je to však tak a jeden zo základných kameňov kvantovej mechaniky je, že oba stavy naozaj existovali dovtedy spoločne a zároveň.

Veľmi špecifickou a takisto prazvláštnou vlastnosťou kvantovej mechaniky je, že dve subatomárne častice, a teda z nášho pohľadu dva qubity, môžeme spolu kvantovo previazať či prepliesť (z anglického quantum entanglement), pričom ich kvantové stavy začnú byť súčasťou jedného spoločného a neoddeliteľného celku, až do jeho rozpadu. V základe sa to dá predstaviť tak, že ak sa superpozícia jedného fotónu zrúti do ľavotočivého spinu, superpozícia toho previazaného druhého sa zrúti do pravotočivého. A čo je čudesné, stane sa to okamžite, nech sú dané previazané fotóny akokoľvek ďaleko od seba.

Kvantový počítač firmy IBM /Foto: IBM Research/

Táto špeciálna fyzikálna vlastnosť má mnoho špecifík, avšak v súvislosti s kvantovým internetom je vhodné zamerať sa najmä na dve z nich, ktoré nám otvárajú brány použitia v rámci IT sektoru.

Tou prvou je maximálna koordinácia dvoch rozdielnych miest na svete. Predstavte si, že vďaka kvantovému internetu budeme mať previazané qubity na rôznych miestach. Jedna skupina bude v Bratislave a druhá v Tokiu. Ak na jednom mieste vykonáme ich merania (môžete si to predstaviť ako položenie otázky „smeruješ doľava, alebo doprava?“), tak aj napriek tomu, že výsledok nebol vopred známy, druhé miesto na Zemi, ktoré bude mať druhú časť previazaných qubitov, bude môcť dostať rovnaké výsledky svojich meraní (dokonca bez nutnosti ďalšej komunikácie). To všetko umožňuje, aby špecifické úlohy, vyžadujúce veľkú synchronizáciu a koordináciu medzi mnohými strojmi a miestami, boli vykonané omnoho efektívnejšie ako na klasických sieťach.

Druhá vlastnosť kvantového previazania je, že toto čudesné spojenie medzi qubitmi, fungujúce na akúkoľvek diaľku, je priamo zo svojej podstaty privátne. Ak sú dva qubity previazané, je fyzikálne nemožné, aby sa ktokoľvek iný ich jednorazovej „komunikácie“ zúčastnil a získal o nej informáciu. Tieto qubity majú medzi sebou skrátka celkom privátnu stavovú väzbu, ktorú nikto nemôže „nabúrať“, odpočúvať či inak sledovať.

To na prvý pohľad môže pôsobiť neintuitívne, avšak základný princíp takéhoto „informačného prenosu“, ktorý nie je limitovaný ani rýchlosťou svetla a je okamžitý na akúkoľvek vzdialenosť, celkom určite dobre poznáte a chápete.

Mikroskopický záber na časť kvantového sieťového obvodu technickej univerzity v holandskom Delfte /Foto: TU Delft/

Predstavte si, že máte vo vrecku dve mince. Jednu jednoeurovú a jednu dvojeurovú. Jednu z nich naslepo nahmatáte a strčíte ju do vrecka svojmu kamarátovi, ktorý s ňou následne odcestuje do New Yorku. Na druhý deň doma vytiahnete zo svojho vrecka zostávajúcu mincu a zistíte, že ide o jednoeurovku. Okamžite, bez nejakého oneskorenia, teda viete, že váš priateľ má vo vrecku dvojeurovku. To isté „meranie“ môže urobiť so svojou mincou aj on, či už tisíce kilometrov ďaleko, alebo hoc aj v cudzej galaxii, pričom informáciu o vašej minci získa takisto ihneď. Informácia totiž medzi vami už neputuje. Jej získanie nie je v tom momente limitované žiadnou rýchlosťou a nikto ju medzi vami ani nemôže zachytiť.

V tomto príklade nemáte žiadny problém pochopiť, že prenos informácie je celkom súkromný a nikto ho nemôže odpočúvať po ceste. Takisto nie je ani nijako paradoxné, že prenos informácie je okamžitý a nelimitovaný rýchlosťou svetla. Mince totiž už danú vzdialenosť vopred urazili normálnou rýchlosťou, ktorá žiadne zákony fyziky neporušovala. Celá situácia nastáva z dôvodu, že výsledok bol už vopred daný a len ste ho v ten moment odhalili. Mali ste jednu alebo druhú mincu vo vrecku už od začiatku a následne ste len jej vybraním zistili, ktorú máte naozaj.

V prípade kvantovej mechaniky a previazaných qubitov to však neplatí a výsledok nebol rozhodnutý až do momentu merania. Nech to znie akokoľvek neintuitívne a akokoľvek neuveriteľne, je to naozaj tak a tento fakt máme experimentálne mnohonásobne dokázaný formou tzv. Bellových experimentov (ktoré po prvýkrát navrhol severoírsky fyzik John Stewart Bell), ktoré laboratórne vykonávame opakovane a v čoraz komplexnejších podobách už viac už 50 rokov.

PREČO KVANTOVÝ INTERNET NEMÁME UŽ DNES?

Základným problémom je, že qubity dokážeme spoľahlivo posielať len na veľmi krátke vzdialenosti. Keď sme s posielaním kvantovo previazaných fotónov v superpozícii po prvýkrát začali, týmito vzdialenosťami boli prakticky len priestory v rámci jedného a druhého „kúta“ experimentálneho laboratória.

Postupom času sa nám proces prenosu darí zlepšovať a postupne sme sa presunuli k úspešnému transportu qubitov z budovy do budovy a v konkrétnych prípadoch aj na vzdialenosti desiatok či stoviek kilometrov, v závislosti od toho o akom spojení hovoríme, ako spoľahlivo a v akom objeme. Na budovanie celosvetovej siete pravdaže potrebujeme viac.

Principiálne nie je na transporte, respektíve posielaní a prijímaní fotónov nič zložité. Ide skrátka o svetlo. Fotón v podobe qubitu môžeme vpustiť do štandardného optického kábla, ktorý na transport digitálnej informácie vo forme svetla používame aj v rámci toho súčasného internetu. Mohlo by sa teda zdať, že qubity môžeme posielať klasickou sieťovou infraštruktúrou, tak ako obyčajné bity.

Problémom v tejto úvahe je, že jeden qubit je tvorený jediným fotónom. Ak by sme ho posielali v klasických komunikačných kanáloch súčasného internetu, behom okamihu by sme ho nevratne stratili, pretože by ho pohltil nejaký medzičlánok na ceste, alebo pri dostatočne dlhej vzdialenosti aj materiál samotného optického vlákna. Najzákladnejšia, a teda najmenšia jednotka svetla je skrátka pomerne rýchlo stratená.

Obvod lokálnej kvantovej siete v Inštitúte Walthera Meißnera Nemeckej akadémie vied
Obvod lokálnej kvantovej siete v Inštitúte Walthera Meißnera Nemeckej akadémie vied /Foto: A. Battenberg/

Keď v klasickom internete posielame dátový signál formou svetla, respektíve formou svetelných pulzov v rámci optického vlákna, jeden bit reprezentujeme vždy relatívne veľkým počtom fotónov. Ak sa časť z nich po ceste z akéhokoľvek dôvodu stratí, nie je to problém. Vnímame to len ako zoslabenie signálu a akonáhle začnú byť vzdialenosti a teda aj straty priveľké, umiestnime do cesty opakovač (repeater), ktorý signál prečíta a vytvorí/odošle znovu v plnej sile (s dostatočným počtom fotónov).

V prípade qubitu, ktorý je tvorený len jedným fotónom ako takým, to pravdaže nie je možné. Ak sa fotón po ceste stratí (pohltí ho nejaký materiál), tak sa skrátka stratí a nemôže doraziť do cieľa len jeho „zoslabená“ polovica. Qubit je pritom unikátny a nie je ho možné len tak zduplikovať po ceste opakovačom signálu a odosielať ho vo viacerých kusoch pre väčšiu istotu, že nejaký dorazí do cieľa.

Tento fyzikálny problém vyjadruje tzv. Neklonovací teorém (No-Cloning Theorem), ktorý hovorí o tom, že je nemožné vytvoriť nezávislú identickú kópiu neznámeho (neodmeraného) kvantového stavu. Inak povedané, konkrétny qubit v superpozícii je fyzicky nemožné skopírovať. Pri snahe o klasické skopírovanie tým, že jeho hodnotu prečítame a následne zduplikujeme, by sa stal normálnym bitom, len s jednou konkrétnou hodnotou.

To má pravdaže v rámci kvantovej informačnej teórie a kvantových počítačov obrovský význam. Vec, ktorú v počítačoch robíme celkom bežne, teda že kopírujeme bitovú informáciu, či už v rámci úložiska, načítaním do operačnej pamäte, alebo preposielaním v rámci internetového prenosu, nie je možné s qubitmi vykonať z ich podstaty. Okrem toho, ak je qubit previazaný s iným, jeho prečítanie toto previazanie zničí a prípadná vytvorená kópia by už s pôvodným a vzdialeným qubitom nikdy previazaná byť nemohla.

Pri pohľade na tieto komplikácie sa môže javiť, že celosvetovú kvantovú sieť je prakticky nemožné realizovať. To, že konkrétne qubity sa po ceste môžu stratiť a ich duplikovanie a viacnásobné zasielanie je nemožné, vyzerá ako neprekonateľná technická bariéra. Našťastie, bránu pre bezpečný a bezchybný prenos stavu qubitu na veľké vzdialenosti nám otvára jedna z ďalších prazvláštnych vlastností kvantovej mechaniky. Je totiž možné, aby kompletný stav jedného qubitu mohol okamžite preskočiť na iný, nachádzajúci sa v inej lokalite. Magickejšie povedané, qubit je možné teleportovať.

Ilustrácia teleportácie „dátového“ qubitu pomocou previazaného páru iných qubitov

K tejto teleportácii sa využíva previazaný kvantový pár qubitov, ktorý je od seba vzdialený ľubovoľnú diaľku. S pochopením procesu vám pomôže ilustrácia. Ako prvé si v laboratóriu, alebo skrátka vo fotonickom hardvérovom zariadení umiestnenom v Bratislave vytvoríme dva previazané qubity. Jeden si ponecháme a druhý pošleme niekomu inému cez optický kábel, napríklad do Prahy. Hodnota a stav tejto dvojice qubitov nás nezaujíma a môžeme ich v našej úvahe považovať za „prázdne“. Jediné čo nás zaujíma, je ich vzájomné previazanie.

Ak sa vyslaný qubit po ceste stratí a nedorazí do cieľa, tak ten náš skrátka zahodíme a vytvoríme nový a celkom iný pár, s ktorým to skúsime znova. Ak by skončil úspešne dokončeným prenosom napr. každý desiaty pokus, stále by to bolo v poriadku, pretože skrátka chceme len vytvoriť medzi dvoma bodmi na svete previazané spojenie qubitov. Je jedno, ktoré to budú a môžeme daný proces posielania nového a nového páru skúšať akokoľvek dlho. Akonáhle sa to ale podarí, môže do celého procesu vstúpiť qubit, ktorého hodnota nás už zaujíma. Považujme ho teda za dátový, čo vidíte znázornené na ilustrácii inou farbou.

Tento dátový qubit môžeme vystaviť špeciálnej interakcii s naším miestnym spárovaným qubitom, pri ktorej ho zničíme. Laicky a veľmi zjednodušene si to môžeme predstaviť tak, že v Bratislave vyvoláme zrútenie kvantových stavov takým spôsobom, že náš spárovaný qubit sa stane opakom toho dátového. Keďže superpozícia sa v ten moment zrúti, zrúti sa aj vzájomné previazanie spárovaných qubitov. Keď sa však „prestrihnutím“ previazania okamžite zrúti aj kvantová pozícia qubitu v Prahe, ktorá závisí od zdieľaného stavu qubitu v Bratislave, magickým výsledkom celého procesu je, že v Prahe sa v tom momente ocitne náš pôvodný dátový qubit.

Pri tejto teleportácii sa nepresúva klasická hmota. Pražský qubit bude stále fyzicky ten, ktorý tam doputoval klasickou cestou optickým káblom. To, čo sa teleportovalo je jeho kvantový stav. Spomeňte si pritom na to, že je fyzikálne nemožné neporušený kvantový stav fotónu/qubitu skopírovať. Práve preto hovoríme o teleportácii. Týmto procesom nevytvárame kópiu nášho dátového qubitu v Bratislave. Z pohľadu fyziky a celého vesmíru sa nič nezduplikovalo. Fotón s daným unikátnym stavom je stále jeden. Je už skrátka len na inom mieste.

Experimenty s kvantovou sieťou v laboratóriu QuTech na technickej univerzity v holandskom Delfte /Foto: TU Delft/

A toto má ďalekosiahle dôsledky. V prvom rade získavame možnosť bezpečne poslať unikátny dátový qubit bez strachu, že by sme ho po ceste stratili. Budeme sa len snažiť opakovane posielať „prázdne“ previazané páry qubitov a ako náhle sa nám transport jednej časti páru podarí, toto spárovanie použijeme na okamžitý prenos dátového qubitu. Neexistuje pritom možnosť, že by sa dátový qubit stratil. On sám totiž optickým káblom nikdy putovať nebude. Bude teleportovaný cez kvantové previazanie iných qubitov.

Asi vás v tomto momente napadne, že by bolo dobré si naposielať dopredu medzi Bratislavou a Prahou veľké množstvo previazaných párov qubitov a tie postupne používať na teleportáciu dátových qubitov v momente, keď to budeme potrebovať. Problémom je, že udržanie kvantových qubitov pri živote (z pohľadu hardvéru ide o kvantovú pamäť), je nesmierne limitované. Bez asistencie plnohodnotného kvantového počítača hovoríme o sekundách v budúcich ideálnych prípadoch o minútach. Navyše, čím viac qubitov lokálne držíme, tým väčšiu interferenciu a „šum“ tvoria, čo má vplyv na ich udržateľnosť. V základe sa teda chceme vyhnúť tomu, aby sme qubity posielali len tak, bez toho aby ich prijímateľ očakával a požadoval.

V rámci fungujúceho sieťového spojenia takéto limity nemusia byť prekážkou. Koniec koncov, ani pri používaní klasického internetu nijako nepremýšľate, ako putujú jednotlivé bity, ktoré z nich sú chybné a automaticky opravené korekciou chýb, ktoré z nich dopočítané z kontrolného súčtu prakticky v reálnom čase a podobne. V rámci kvantového internetu bude kvantový hardvér skrátka vykonávať spojenie a preposielanie párov prázdnych qubitov tesne pred poslaním dátového qubitu, pričom cieľom je plne automatický a bezpečný proces behom milisekúnd. Pravdaže, takýto hardvér je nutné najprv vôbec vyvinúť a úspešne postaviť.

Schopnosť teleportácie qubitu cez previazanie iných qubitov otvára priestor nielen pre jeho kompletne bezpečný transport. Potenciálne umožňuje aj premostenie väčších vzdialeností. Predstavte si, že chcete mať kvantové spojenie medzi Bratislavou a Berlínom, avšak vzdialenosť týchto miest je priveľká na to, aby ste poslali optickou sieťou „prázdny“ spárovaný qubit. Môžeme ale vytvoriť úspešné spojenie z Bratislavy do Prahy, zatiaľ čo Praha úspešne vytvorí separátne spojenie iným odlišným párom „prázdnych“ qubitov s Berlínom.

Použitie teleportácie na presun previazaných qubitov na veľkú diaľku

Samozrejme, nechceme pomocou tohto spojenia teleportovať náš dátový qubit najprv do Prahy a potom do Berlína. Prahe totiž s naším cenným a jedinečným dátovým qubitom nemusíme dôverovať. To, čo však Praha môže urobiť, je použiť svoje spárovanie s Berlínom na teleport iného „prázdneho“ qubitu. Konkrétne toho spárovaného, ktorý ju spája s Bratislavou. V momente ako to v Prahe urobia, ich qubit prestane existovať a zrútením kvantovej superpozície stratia previazanie s Bratislavou a aj separátne spojenie s Berlínom. V Berlíne sa však teleportáciou ocitne ten „pražský“ qubit, ktorý je kvantovo previazaný s tým bratislavským.

A v tomto momente máme naviazané ďaleké spojenie previazaním qubitov, ktoré Bratislava a Berlín môžu použiť na transport/teleportáciu žiadaného dátového qubitu medzi sebou, bez akéhokoľvek medzičlánku.

CESTA K REALIZÁCII A SÚČASNÉ ÚSPECHY

Kvantový internet, vo forme celosvetovej a plnohodnotnej komunikačnej kvantovej siete, je v súčasnosti vo fáze vynaliezania konkrétnych ideí a riešení. V súčasnosti množstvo vývojárov z celého sveta usilovne pracuje na vyvinutí jednotlivých technických princípov, protokolov a hardvérových prvkov, ktoré z neho spoločne spravia realitu.

Množstvo prvkov už existuje a v obmedzenom rozsahu fungujú. Napríklad samotná kvantová komunikácia medzi dvoma bodmi je v súčasnosti dostupná dokonca aj komerčne. Na trhu nájdeme výbavu od špecializovaných firiem ako idQuantique, alebo od známych telekomunikačných a hardvérových značiek ako Huawei, Toshiba či NEC, ktorých hardvér obvykle umožňuje jednoúčelové preposielanie qubitov medzi dvoma bodmi na krátke vzdialenosti (zvyčajne do 100 km).

Konkrétne ide o sprostredkovanie jednoúčelovej a pomerne obmedzenej kvantovej komunikácie, ktorá stačí na sprostredkovanie kvantovej kryptografie, respektíve distribúciu kvantového kľúča. Dve strany tak pomocou qubitov môžu vytvárať extrémne bezpečné šifry, ktoré používajú na šifrovanie dát, putujúcich medzi nimi klasickým internetom. To, ako tento hardvér vyzerá, môžete vidieť na fotografiách.

Distribuovanie kvantového kľúča serverom QES firmy Toshiba /Foto: Toshiba/
 Server Cerberis XG na distribúciu kvantového kľúča od firmy ID Quantique
Server Cerberis XG na distribúciu kvantového kľúča od firmy ID Quantique /Foto: ID Quantique SA/

Momentálne laboratórne snahy môžeme zosumarizovať ako snahu vyvinúť metódy a hardvér, umožňujúce prenos kvantovej informácie na veľkú diaľku, medzi viacerými účastníkmi, vo veľkom rozsahu a na množstvo rôznych účelov, nielen v rámci kryptografie.

Hľadanie možností na zlepšenie prekonávania veľkej vzdialenosti s pomocou spárovaných qubitov v superpozícii je v plnom prúde. Mediálne najznámejšie experimenty z posledných rokov vykonáva hlavne Čína, napríklad aj s pomocou špecializovaných satelitov na obežnej dráhe. Ide predovšetkým o satelit Micius, ktorý je koordinovaný s Národnou čínskou univerzitou pre vedu a technológiu (USTC).

V roku 2020 sa s pomocou tohto satelitu podarilo vytvoriť previazané spojenie qubitov na vzdialenosť 1200 km, pri ktorom satelit ako taký fungoval ako tvorca páru. Previazanie a superpozícia qubitov/fotónov bola vytvorená v jeho útrobách na obežnej dráhe, pričom pomocou laserového lúču satelit poslal jeden qubit na jedno a druhý na druhé miesto na Zemi. Toto spojenie následne môžu pozemné stanoviská použiť na vlastnú, plne bezpečnú komunikáciu, ktorej sa satelit nijako neúčastní.

Je vhodné si uvedomiť, že produkcia kvantovo previazaného páru qubitov niekým iným, hoc aj nedôveryhodnou stranou, nijako nenarúša bezpečnosť komunikácie strán, ktorý tento pár používajú. V praxi je to pravdaže komplikovanejšie, pretože vždy je nutné komunikačne zabezpečiť, aby si pri opakovanom posielaní boli obe strany isté, že majú qubit patriaci do spoločného páru a nie že má jedna strana časť jedného a druhá strana časť iného páru.

Prenos qubitov/fotónov laserovým lúčom nie je bez problémov, pretože mu v ceste stojí atmosféra Zeme. Nárazy do čiastočiek prachu, nečistôt, alebo rôznych atmosférických prejavov (dážď, sneh a pod) môže qubit pohltiť takisto. Okrem toho, satelit, ktorý v tomto prípade obieha Zem vo výške 500 km, sa nad konkrétnymi miestami na Zemi objaví len 2-krát denne.

Mapa súčasnej čínskej kvantovej siete pre distribúciu kvantového kľúča /Ilustrácia: Čínska univerzita vedy a techniky v Che-fej/

Čína každopádne v tomto smere napreduje a už niekoľko rokov postupne buduje pozemnú sieť optických káblov za účelom vytvorenia infraštruktúry pre kvantové spojenie viac ako 150 industriálnych, finančných a vládnych komplexov po krajine, v snahe sprostredkovať spoľahlivú distribúciu kvantového kľúča, pre potreby kryptografie. Jej súčasťou je 2000 km dlhé optické spojenie medzi Pekingom a Šanghajom, vyhradené na posielanie qubitov (s niekoľkými medzičlánkami).

Z dostupnej publikovanej literatúry môžeme vidieť, že sa im v posledných rokoch darí zvyšovať priepustnosť ich protokolu a posúvať frekvenciu generovania kľúča z 2 kB/s na 47 Kb/s. Vďaka použitiu nových metód, ktoré nazývajú ako dvojpoľová distribúcia kvantového kľúča (TF-QDK) sa im pritom podarilo dosiahnuť relatívne spoľahlivú distribúciu na rekordnú pozemnú vzdialenosť 500 km medzi dvoma zúčastnenými stranami.

V januári tohto roku Čína takisto ohlásila úspešnú kombináciu svojich pozemných spojení, spolu so satelitným presahom, keď úspešne prepojila body na doposiaľ rekordnú vzdialenosť 4600 km. Zhruba polovica bola premostená satelitom a polovica pozemnou sieťou 700 optických káblov.

Pri týchto sieťach si je vhodné uvedomiť, že ide o prvé kvantové spojenia, ktoré zabezpečujú tú najrudimentárnejšiu a najjednoduchšiu schopnosť kvantovej komunikácie (distribuovanie kvantového kľúča), kedy qubity využívame na tvorbu šifier, pre klasické dáta. Takisto, maximálne priame pozemné spojenie (ktoré môže fungovať nepretržite), je na vzdialenosť 500 km.

Spojenie vzdialenejších miest prebieha cez „priateľské uzly“, teda medzičlánky, ktoré sa celej komunikácie účastnia a preposielajú ju po prečítaní nanovo od nuly. Vzdialené strany teda týmto uzlom musia dôverovať, pretože celú komunikáciu nielen vidia, ale od nich aj závisí. Od týchto strán teda musíme očakávať, že nielenže nám našu komunikáciu neukradnú, ale zároveň aj záškodnícky nezmenia.

Tieto medzičlánky označujeme ako „dôveryhodné opakovače“ a kvantové siete tohto typu, určené na distribúciu kvantových kľúčov pre kryptografiu, nájdeme dnes už v mnohých častiach sveta. Okrem tej najväčšej čínskej siete nájdeme menšie takisto v Japonsku, Holandsku, Švajčiarsku a ďalších krajinách. V základe ide o prvý veľký krok za kvantovým internetom, pri ktorom sa prepájajú vždy postupne dve body, tvoriace dlhšiu reťaz.

Dôveryhodným, či lepšie povedané „dôvery-nutným opakovačom“ sa pri plnohodnotnej kvantovej sieti, respektíve kvantovom internete chceme vyhnúť. Potrebujeme práve automatické kvantové opakovače, používajúce teleportáciu qubitov na vytvorenie previazaných spojení, ktoré už následne koncové strany použijú samy a privátne.

Pre skutočný internet pravdaže potrebujeme viac a chceme, aby sa jednotlivé uzly a koncové body dokázali spájať s viacerými uzlami a bodmi zároveň. V apríli tohto roku sa odohral veľký krok v tomto smere v Európe. Výskumné a vedecké laboratórium QuTech, sídliace na univerzite v holandskom Delfte (ktoré je aj súčasťou európskeho združenia pre vývoj kvantových sietí a takisto člen projektu Quantum Flagship), vôbec po prvýkrát úspešne realizovalo trojuzlovú kvantovú sieť, v ktorej každý uzol môže nielen skladovať a spracúvať qubity s ktorýmkoľvek iným uzlom, ale aj sprostredkovať medzi nimi spojenie pomocou kvantovej teleportácie.

Experimenty s kvantovou sieťou v laboratóriu QuTech na technickej univerzity v holandskom Delfte /Foto: TU Delft/

Pred pár mesiacmi tak vôbec po prvýkrát došlo k praktickej demonštrácii ozajstných sieťových uzlov, ktoré boli spojené previazanými qubitmi bez toho, aby si ich priamo vymenili. Tretí uzol k nim spojenie len teleportoval. Zároveň došlo k demonštrácii funkčného protokolu, signalizujúceho v reálnom čase ustanovené kvantové spojenie. Aj keď v tomto prípade ide len o tri laboratóriá, výsledky sú nesmierne povzbudivé.

Cesta vpred bude každopádne ešte nepochybne tŕnistá, ale aj dobrodružná. Ako žartovne povedala nemecká fyzička Stephanie Wehner, jedna z popredných vývojárok kvantových komunikačných sietí, kvantový internet by sme v mohli postaviť aj tak, že by sme každých pár kilometrov zakopali do zeme plnohodnotné kvantové počítače za milióny eur, ktoré by plnili rolu spojovacích serverov vďaka schopnosti s qubitmi priamo manipulovať. S takýmto prístupom by sme sa ale ďaleko nedostali a pripomínalo by to riešenie, pri ktorom by Google chcel umiestniť celé dátové centrum YouTube do každej budovy v meste.

V realite potrebujeme, aby stavebnými prvkami kvantovej siete a kvantového internetu boli čo možno najjednoduchšie a finančne dostupné prvky a zariadenia. Koncovým uzlom v kvantovej sieti nemusí byť len kvantový počítač, ale aj veľmi jednoduché fotonické zariadenea, schopné vytvárať alebo merať stav jedného qubitu v jeden moment. To môže fungovať ako kvantový terminál, ktorý umožní prístup k vzdialenému výkonnému kvantovému počítaču, ktorý vykoná kvantové výpočty a simulácie.

Snahou je teda nielen vyvinúť funkčné kvantové opakovače, kvantové routery či kvantové modemy, ale aj zabezpečiť, aby boli v udržateľnej komplexnosti. Sieťových prvkov tvoriacich celosvetovú infraštruktúru bude skrátka obrovské množstvo a ich podoba a cena tomu musí odpovedať.

Pred nami je ešte náročná cesta, ale súčasné úspechy nám ukazujú, že plne funkčný kvantový internet nemusí byť už vôbec ďaleko.

Značky: