Kvantinis internetas: vyksta nenulaužiamo internetinio pasaulio kūrimo varžybos

Daugelio mūsų gyvenimai sukelti internete. Bankai, darbo paštas, socialiniai tinklai, pasimatymų profiliai, medicininiai įrašai – visa tai yra gyvybiškai svarbi ir jautri informacija. Tad, faktas kad internetas turi lemtingą saugumo spragą, visai nedžiugina. Bet ne už kalnų laikas, kuomet mus internete saugantys šifravimo algoritmai subyrės.

Tai ir skatina kurti naują, saugesnį internetą, pasitelkiantį kvantinę apsaugą. Ši sistema galės daug daugiau, nei vien apsaugoti jūsų duomenis. Ji suteiks neregėtas kvantines programas ir gali tapti visą pasaulį apimančio neįsivaizduojamos galios kvantinio kompiuterio skeletu.

Kvantinio interneto kūrimas – didžiulis ir daugialypis inžinerinis iššūkis, bet jo pamatai jau klojami. Plinta šviesolaidiniai tinklai. Mokslininkai slaptai plepa vietiniuose tinkluose. Netgi planuojama panaudoti mažus palydovus tolimiems kvantiniams ryšiams. Anksčiau ar vėliau visi galėsime prisijungti prie kvantinės informacijos supergreitkelio.

Žmonijos kultūra ir pramonė jau seniai pagrįsta informacija. Gaunama tinkama informacija, jos supratimas ir dalinimasis suteikia galią ir pelną. Interneto augimas įtvirtino informacijos vaidmenį ir to poveikį dar tik pradedame jausti. Stovime ant naujo, galinčio vėl viską pakeisti, informacijos amžiaus slenksčio.

Įprasti, klasikiniai kompiuteriai naudoja skaitmeninius vienetus – bitus. Tai informacijos kiekis, gaunamas, tarkime, išmetus monetą, ir įprastai žymimas kaip 1 ar 0. Visi elektroniniai laiškai, statuso atnaujinimai ar fotografijos telefone yra sudaryti iš bitų.

Tvarkymasis su kubitais

Kvantinio pasaulio požiūriu, toks būdas labai ribotas, nes čia, kaip žinia, dalelės elgiasi labai keistai. Atomas, elektronas ar fotonas gali būti tokioje būsenoje, kai jo savybės nėra apibrėžtos. Pavyzdžiui, dalelės gali būti dviejų energijų tuo pačiu metu. Tos kvantinės būsenos itin trapios, bet išmokus jomis manipuliuoti, daleles galima panaudoti saugoti kvantinės informacijos vienetą – kubitą, kuris koduoja ne tik 0 ar 1, o ir bet kokį 0 ar 1 derinį.

Didindami gebėjimą tai atlikti, jau sukūrėme įspūdingas technologijas, pavyzdžiui, superjautrius gravitacijos ir magnetinių laukų jutiklius. Fizikai jau gali kontroliuoti dešimtis kubitų vienu metu, ir kuria kvantinių kompiuterių prototipus. Kai jie išaugs, žada pralenkti bet kokius klasikinius kompiuterius, kurie kada nors galėtų būti sukurti – bent jau tam tikrų skaičiavimų tipams. Be viso kito, kvantiniai kompiuteriai turėtų galėti simuliuoti chemines reakcijas, kuriant naujus vaistus ir pažangias medžiagas, o taip pat sprendžiant painias inžinerijos ir logistikos problemas. Visas jų potencialas dar nėra žinomas.

Tačiau vieną dalyką žinome – atsiradus šioms neįtikėtinoms mašinoms, mums reikės kvantinio interneto – nes mūsų saugumui gresia būtent kvantiniai kompiuteriai. Dauguma internetinio ryšio saugumą užtikrinančių šifravimo schemų paremtos matematikos problemomis, kurias išspręsti klasikiniais kompiuteriais būtų nepraktiška, pavyzdžiui, didelių pirminių skaičių faktorizavimu. Bet pakankamai didelis kvantinis kompiuteris, panaudodamas 1994 metais MIT matematiko Peterio Shoro sukurtą algoritmą, su tokia užduotimi susidorotų kaip. Tai pakirstų saugumą visko, kas remiasi internetiniu ryšiu, nuo elektroninių laiškų iki elektros tinklų. „Didelė kritiškai svarbios infrastruktūros dalis tebepriklauso nuo šių algoritmų… taip pat ir mano bankas,“ sako Siddharth Joshi iš Bristolio universiteto, JK.

Tokios pavojingai galingos kvantinės mašinos tikriausiai galime tikėtis ne anksčiau, nei po 10 metų, tačiau problemos aktualumas dėl to nė kiek ne mažesnis. Šifravimo sistemų pakeitimas trunka ilgai, ir dabar siunčiamus duomenis galima perimti, išsaugoti ir dešifruoti, kuomet atsiras pakankamai galingi kvantiniai kompiuteriai.

Joshi ir kiti nori kubitus atremti kubitais. Komunikacijai naudojant individualių dalelių kvantines būsenas, siunčiamų žinučių vogčiomis peržiūrėti nepavyks, nes pats signalo stebėjimas delikačias būsenas pakeičia. Tai nebūtų interneto pakaitalas, o tik papildomas kvantinės komunikacijos sluoksnis jame, kad vartotojai galėtų keistis slaptais šifravimo raktais. Interneto srautas ir toliau keliautų kabeliais, kaip dabar, ir tais raktais tik būtų koduojamas ir dekoduojamas.

Toks kvantinis šifravimas, vadinamas kvantiniu rakto paskirstymu (QKD), per pastaruosius kelis dešimtmečius buvo ne kartą demonstruotas. The Pirmasis QKD bankinis pervedimas atliktas 2004. Yra daug skirtingų QKD schemų, bet vienos iš saugiausių paremtos kvantinio susietumo reiškiniu. Iš pradžių dviems kubitams suteikiama bendra kvantinė būsena, kurią tinkamai išmatavus, poros dalelių matavimo rezultatas kinta prognozuojamai, kad ir kur tos dvi dalelės būtų. Tarkime, tie du kubitai yra fotonai. Vieną iš susietos poros optiniu kabeliu, galima keistis saugiu raktu.

Jungtis, kuriose naudojama daug daugiau susietų kubitų, galima būtų panaudoti dar įspūdingiau, tarkime, siųsti žinutes grynai kvantine forma. Artimoje perspektyvoje kvantiniai kompiuterių gebjimai tikriausiai bus kuklūs ir jie stovės toli vienas nuo kito, tarkime, universitetuose ar tyrimų centruose. Bet kvantinės komunikacijos jungtys galėtų sujungti juos visus į kvantinį superkompiuterį. Be to, naudotojai galėtų kvantiniuose kompiuteriuose galėtų leisti programas taip, kad būtų garantuotas jų saugumas, ir jų šnipinėti negalėtų netgi kompiuterio savininkai. Tai yra vadinamasis aklas kvantinis skaičiavimas, ir taip bet kas galėtų naudoti kvantinius kompiuterius, nesibaimindamas jautrių duomenų nutekėjimo.

Deimantų šnabždesys

Besiartiančio kvantinio interneto grūdas buvo pasėtas laboratorijoje Delfte, Nyderlanduose. Ten trys maži deimantai šnabždasi tarpusavyje, suformuodami miniatiūrinį bet visiškai funkcionalų susietų jungčių tinklo prototipą. Kiekvieno deimanto anglies atomų gardelėje yra defektas, kuriame įsitaisęs vienas azoto atomas. Iš ten pora elektronų gali spinduliuoti su jais susietą fotoną. Be to, kiekvienas deimantas laiko po vieną kubitą kvantinės atminties, dėl to galima atlikti bazinį kvantinės informacijos apdorojimą.

Balandį publikuotame straipsnyje, Ronaldas Hansonas ir jo komanda iš Delfte esančio tyrimų instituto QuTech, pademonstravo trijų deimantų sujungimą į tinklą ir perdavė tarp jų kvantinę informaciją. Iš principo, šią technolgiją galima išplėsti, ir susietumas gali būti paskirstytas tarp bet kiek mazgų. „Tai yra bazinė funkcija, kurią privalo atlikti kvantinis internetas,“ sako Hansonas.

Deimantus naudoti nebūtina. Kitos grupės nagrinėja kitokius kubitų kūrimo ir apjungimo būdus. Bristolyje, Joshi grupė parodė galitni paskirstyti kvantinius raktus tarp aštuonių naudotojų, esančių už kelių kilometrų vienas kuo kito, ir visi susietus fotonus gavo iš to paties lazerio. Turėtų būti įmanoma išplėsti aprėptį mieste iki kelių šimtų žmonių, sako Joshi. Kol kas jis pademonstravo QKD ir kai kuriuos panašius protokolus, bet tikina, kad panaudojus sudėtingesnius susietų fotonų priėmimo modulius, tinklas, be viso kito, galėtų palaikyti ir aklą kvantinį skaičiavimą.

Randasi nemažai ir kitų dar neapsiplunksnavusių kvantinių tinklų, pavyzdžiui, Tokijuje (Japonija), Kalgaryje (Kanada) ir Los Alamos (Naujoji Meksika). Juose iš esmės tėra po du ar tris mazgus ir jie apsiriboja QKD. Tačiau didėja jų pasiekiamas nuotolis, keli siekia daugiau nei 100 kilometrų. Svajojama išplėsti juos ir sujungti milijonus vartotojų visame pasaulyje, pateikiant supersaugius šifravimo traktus įvairioms šalims visuose kontinentuose.

Tai atlikti galima, panaudojus jau esančią šviesolaidžių tinklą, kuriuo dabar perduodamas visas interneto srautas ir kiti telekomunikacijų duomenys. Bet kyla rimta kliūtis: optiniai kabeliai nėra visiškai permatomi. Netgi naudojant optimalaus bangos ilgio šviesą, 50 kilometrų optinių gijų sugers apie 90 procentų fotonų. Tad šviesolaidžiu kvantinis internetas galėtų būti perduotas geriausiu atveju kelis šimtus kilometrų. Esamuose šviesolaidžiuose signalas stiprinamas. „Bet kvantinio signalo per stiprintuvą pasiųsti negalima,“ sako Timas Spilleris iš Yorko universiteto, JK, vadovaujantis šalies tarpinstituciniam Kvantinių komunikacijų centrui. Iš esmės, stiprintuvai išmatuoja signalą, o tai savo ruožtu pradangina delikačius kvantinius duomenis.

Norint išplėsti QKD aprėptį, galima būtų remtis patikimais mazgais, prietaisais, kurie perduoda žinutę, iš pradžių ją dešifruodami, ir užšifravę pasiųsdami ją toliau kita šviesolaidžio atkarpa. Kinija jau sukūrė įspūdingą tinklą, 2000 kilometrų ilgio stuburą su 32 patikimais mazgais tarp Pekino ir Šanchajaus, ir šimtais jungčių. Problema išspręsta? Ne visai. Kiekvienas mazgas reiškia žinutės nutekinimo grėsmę. Negana to, tai netinka pavyzdžiui aklam kvantiniam skaičiavimui, nes originali kvantinė informacija kiekviename mazge pranyksta.

Norint kvantinę informaciją pernešti toli ir plačiai, reikia prietaiso, vadinamo kvantiniu kartotuvu. Įsivaizduokite du naudotojus – Alisą ir Bobą, – kurie nori paplepėti. Kiekvienas iš jų sukuria porą susietų kubitų ir pasiunčia po vieną iš savo poros per viduryje tarp jų esantį kvantinį kartotuvą. Kartotuvas vienu metu atlieka tam tikrus dviejų gautų kubitų būsenų matavimus, skirtus juos sujungti. Remiantis kvantinės fizikos taisyklėmis, taip susiejami Alisos ir Bobo pasilikti du kubitai, – šis procesas vadinamas apsikeitimu susietumais. Išrikiavus kvantinius kartotuvus, susieti kubitai gali atsidurti daug toliau vienas nuo kito.

„Svajojama sujungti milijonus naudotojų, pernešant šifravimo raktus per šalis ir kontinentus“

Ak, jei tik turėtume kvantinį kartotuvą. Norų sąraše jie jau ne vienus metus, tačiau juos sukurti pasirodė labai sunku. Bet Niujorko Stony Brook universitete, Edenas Figueroa su savo grupe imasi šios dėlionės. Kritinis šio prietaiso komponentas yra vadinamoji įvesties ir išvesties kvantinė atmintis, kuri gali pagauti skriejantį kubitą ir išlaikyti, kol jo prisireiks vienalaikiam matavimui. Figueroa kvantinė atmintis pagrįsta atomų debesimi, kurie gali tokį triuką atlikti su fotonu. Šis prietaisas taip pat privalo registruoti fotono pagavimą, nesutrikdydamas dalelės jautrios kvantinės būsenos. Pernai Figueroa su kolegomis parodė, kad jie gali tai atlikti, pasiųsdami kitą fotoną, kuris tik labai silpnai sąveikauja su saugomu fotonu.

Tokia kvantinė atmintis turi tris dideliu praktinius privalumus. Tai portabilūs, 40 centimetrų moduliai. Jie veikia kambario temperatūroje, o ne stingdančiame šaltyje, kuriame reikia laikyti daugumą kitų atomų debesėlius naudojančius prietaisus. Be to, jie gali veikti įprastais telekomunikacijose naudojamais dažniais, ką ši komanda pademonstravo pernai, sujungdami du tokius prietaisus 158 kilometrų atstumu. „Artinamės prie apsikeitimo susietumu, kur viskas turi veikti drauge,“ sako Figueroas. Naudingi kartotuvai turės ne tik atlikti visa tai, bet ir daryti tai labai efektyviai.

Net ir sustiprintas kartotuvais, šviesolaidinis kvantinis internetas nebus tolygus. Didžiausias problemas kels dabar vandenyno dugnu nutiestos jungtys, nes dabar šiuose šviesolaidžiuose yra sumontuoti signalo stiprintuvai, kurie kubitus pražudytų. Nutiesus specialius kvantinius kabelius, juose turėtų būti kvantiniai kartotuvai, kurie turėtų ilgai patikimai veikti.

Tad, tyrėjai žvilgsnius kreipia į palydovinius kvantinių ryšių mezgėjus. Šioje srityje pirmauja Kinija, 2016 metais iškėlusi Micius palydovą su kvantinės komunikacijos įranga. „Kuomet Micius pakilo, visi kiti prisėdo,“ sako Daniel Oi iš Strathclyde'o universiteto, JK.

2017 metais Micius užšifravo videokonferenciją tarp Pekino ir Vienos (Austrija), panaudodamas tam tikrą QKD variantą, kurio didelis duomenų pralaidumas, tačiau pats palydovas veikia kaip patikimas mazgas. Kai kuriems vartotojams tai tiks, tarkime, vyriausybėms ar korporacijoms, galinčioms sau leisti naudoti nuosavus palydovus, tačiau tai negarantuos saugumo visiems būsimo plačiai sujungto kvantinio interneto naudotojams. Tuomet 2019 metais, Micius panaudotas suformuoti jungtį tarp dviejų, 1200 kilometrų viena nuo kitos esančių antžeminių stočių Kinijoje – Nanshan and Delingha, – perskirdamas kiekvieną susietų fotonų porą ir siųsdamas po vieną kiekvienai stočiai. Ši QKD forma yra itin saugi. Net jei būtų įsilaužta į palydovą, rakto perimti nebūtų įmanoma.

Trūkumas yra, kad jis veikia lėtai. Pusės gali naudoti susietą fotonų porą tik tuomet, kai jas pasiekia abu fotonai, o bet kuriuose palydoviniuose ryšiuose didžioji dalis šviesos prarandama, nes fotonai nepataiko į imtuvą arba juos sugeria atmosfera. Kinijos antžeminės stotys yra aukštai ir jose kaip imtuvai naudojami dideli teleskopai; o palydovas sukuria apie 6 milijonus susietų fotonų porų per sekundę. Bet netgi šiuo atveju slaptas raktas buvo kuriamas vos dalies bito per sekundę sparta. Darbui su Micius vadovaujantis Jian-Wei Pan iš Kinijos mokslo ir technologijos universiteto Hefei, sako, dabar besistengiantis padidinti spartą kai kuriais patobulinimais, tarp kurių ir ryškesni susietos šviesos šaltiniai.

Kvantinis sambūris

Ir Pan, ir Oi įsivaizduoja tinklą, kuriame daug kvantinių terminalų, tarp kurių ir įrengti laivuose ir lėktuvuose. „Jei yra daug antžeminių stočių, keli dideli palydovai jų visų aptarnauti nepajėgs,“ sako Oi. Vietoje to reikia plataus mažų palydovų tinklo. Taką jau pramina keletas projektų, tarp kurių JK-Singapūro misija SPEQTRE, ir privataus konsorciumo kuriamas palydovas ROKS. Abu turėtų būti paleisti 2022.

Norint visą šią įrangą apipinti pasauliniu kvantiniu tinklu, reikės programinės įrangos, kuria galėtume naudotis klasikiniame internete. Dabar duomenis esamais tinklais nukreipinėja keli programinės įrangos sluoksniai, tad eiliniam vartotojui nereikia tuo rūpintis. Stephanie Wehner iš QuTech yra viena iš kuriančių kvantinio interneto sluoksnius. O dar yra ir smagioji dalis, tikros programėlės. Vis dar nežinome, ką jos galės. Nauji žaidimų tipai? Naujos komunikavimo formos?

Kuomet šios nepaprastos technologijos apjuos pasaulį, iš pradžių gal net nepastebėsime. Jų poveikis iš esmės turėtų pasireikšti problemų nebuvimu: neprarasime savo banko sąskaitų, į rinkimus neįsilaužiama, šviesos neužgęsta. Ilgainiui atsiras ir apčiuopiamesnės naudos, ypač mokslui. Kvantinių duomenų jungtimis teleskopai galėtų keistis informacija be jokios delsos ir astronomai galėtų gauti ryškesnį visatos vaizdą. Jie galėtų tiksliau sinchronizuoti atominius laikrodžius ir taip padidinti gravitacinių bangų detektorių jautrumą. Nekalbant jau apie kvantinių kompiuterių susiejimą, taip padidinat jų galią.

Antra vertus, kvantinis tinklas dar labiau aptemdytų tamsųjį tinklą, ir kai kas tuo neatsisakytų pasinaudoti. Teroristai galėtų panaudoti aklą kvantinį skaičiavimą naujiems ginklams kurti – ir niekas to nesužinotų. Vyriausybėms magėtų į tokią įrangą įtaisyti atsarginį įėjimą, „bet tai panaikintų viso to prasmę“, sako Wehner.

Gal šis naujos formos internetas pasaulį padarys tuo pat metu ir saugesniu ir pavojingesniu. Argi ne kvantiška.

Stephen Battersby
www.newscientist.com