Informatyka kwantowa

Czy Internet Kwantowy powinien zostać zbudowany w kosmosie?

Wraz z rozwojem komputerów kwantowych na horyzoncie pojawiła się realna możliwość osiągnięcia kolejnego kamienia milowego w technologicznym rozwoju ludzkości w postaci Kwantowego Internetu. Zespół naukowców pod przewodnictwem Sumeet Khatri z Louisiana State University w Baton Rouge w USA, zbadał różne sposoby budowy Internetu Kwantowego i stwierdził, że najbardziej opłacalnym podejściem w realizacji projektu jest stworzenie systemu satelitów z włączoną obsługą kwantową, zdolnych do ciągłej emisji danych w postaci splątanych fotonów na ziemię.

Koncept stworzenia internetu kwantowego wiąże się z pewnym paradoksem. Realizacja projektu jest możliwa do przeprowadzenia tylko w oparciu o komputery kwantowe – równocześnie jedną z cech komputerów kwantowych będzie możliwość złamania praktycznie każdego kodu i szyfrowania wykonanego przy pomocy maszyn binarnych. Internet kwantowy pozwoli z kolei wykorzystać specyficzne właściwości kwantowe fotonów i elektronów, aby wysyłane wiadomości były niemożliwe do złamania.

Tym samym internet kwantowy powstanie m.in. po to, aby zneutralizować jedną z najlepszych cech komputerów kwantowych jaką jest wysoka moc obliczeniowa, zdolna łamać dowolne kody i zabezpieczenia powstałe wg dotychczasowych rozwiązań i architektur. Jego istnienie i funkcjonalność są zatem języczkiem u wagi rządów i wojska oraz globalnych instytucji finansowych, korporacji prawnych czy firm handlowych, które muszą zabezpieczyć wszystko – począwszy od wrażliwych danych, poprzez umowy, kończąc na szczegółach transakcji finansowych.

Na czym polega i jak działa Internet Kwantowy?

Sercem każdej sieci kwantowej jest dziwna właściwość kwantowego splątania. Jest to zjawisko, gdzie dwie cząstki funkcjonują identycznie bez względu na dzielącą je odległość. Pomiar jednej natychmiast wpływa na drugą – zachodzi wtedy zjawisko, które Albert Einstein nazwał „upiorną akcją na odległość„. Gdy para fotonów zostanie splątana poprzez utworzenie ich w tym samym punkcie i chwili, można wysyłać je do różnych lokalizacji, a splątanie wykorzystać do wysyłania bezpiecznych wiadomości.

Problem polega na tym, że splątanie jest kruche i trudne do zachowania. Nawet najmniejsza interakcja pomiędzy fotonem, a jego otoczeniem przerywa połączenie. Dzieje się tak zwłaszcza wtedy, gdy splątane fotony są przesyłane bezpośrednio przez atmosferę lub światłowody – oddziałują z innymi atomami i splątanie zostaje zerwane. Testy wykazały, że maksymalna „bezpieczna” odległość, na jaką można w ten sposób korzystać z efektu splątania to zaledwie kilkaset kilometrów.

Jak zatem zbudować kwantowy internet, który wykorzysta efekt kwantowego splątanie do przesyłania wiadomości na całym świecie? Jedną z opcji jest użycie tzw. „przekaźników kwantowych” – urządzeń, które mierzą kwantowe właściwości fotonów po ich przybyciu, a następnie przenoszą te właściwości na nowe fotony, które są dalej wysyłane – to rozwiązanie zachowuje splątanie, pozwalając mu „przeskakiwać” z jednego przekaźnika na drugi. Jednakże ta technologia jest wciąż wysoce eksperymentalna i minie wiele lat zanim będzie nadawać się do komercyjnego wykorzystania. Co więcej, przekaźniki nie mogłyby być oddalone od siebie na odległości większe niż 200 km, co sprawia, że chcąc połączyć w ten sposób ze sobą cały świat, konieczna byłaby instalacja tysięcy przekaźników na całym świecie.

Lepszą opcją jest utworzenie splątanych par fotonów w kosmosie i ich transmisja do dwóch różnych stacji bazowych na Ziemi i dalszą wymianę. W 2017 r. przy pomocy chińskiego satelity Micius udało się przeprowadzić pierwszą tego typu transmisję.

Problemy i wyzwania

Sumeet Khatri wraz z zespołem twierdzą, że system satelitów jest najlepszym i najefektywniejszym sposobem na stworzenie globalnego Internetu Kwantowego. Kluczem jest to aby dwie stacje naziemne widziały tego samego satelitę w tym samym czasie i odbierały od niego te same, splątane fotony. To rozwiązanie niesie ze sobą jednak konieczność pewnych kompromisów – aby zapewnić wysoką skuteczność i jakość przesyłu danych, satelity powinny krążyć na niskich wysokościach, aby zmniejszać dystans pomiędzy nimi a stacjami bazowymi; niska wysokość oznacza mniejszy zasięg i potrzebę uruchomienia większej liczby drogich satelitów. Z kolei sytuacja odwrotna – mniejsza liczba satelitów orbitujących na wyższych wysokościach oznacza większą stratę fotonów podczas transmisji i pogorszenie jej jakości.

Zespół Khatri obliczył, że aby system był efektywny, wymaganych jest udział minimum 400 satelitów orbitujących na wysokości ok. 3000 kilometrów nad Ziemią. Odległość pomiędzy stacjami bazowymi na Ziemi będzie ograniczona do 7500 kilometrów, co uniemożliwi np. komunikację pomiędzy Warszawą a Los Angeles, czy Londynem a Pekinem.

Dla porównania, system GPS działa globalnie z zaledwie 24 satelitami…

Jak widać, koszty infrastruktury potrzebnej do stworzenia Internetu Kwantowego są równie niebotyczne jak sfera jego operowania i dodatkowo należy cały czas mieć na uwadze, że jesteśmy dopiero na etapie wstępnych badań i eksperymentów w obszarze jego rzeczywistego działania. Wydaje się jednak, że presja na to, aby go uruchomić drastycznie wzrośnie w chwili, gdy komputery kwantowe zaczną sobie seryjnie „radzić” z rozpruwaniem najbardziej wyrafinowanych zabezpieczeń transmisji danych wykonywanych metodami binarnymi…

Źródło: www.technologyreview.com

Pawel Levy
Ekspert w dziedzinie nowych technologii. Zastanawia się, czy teoria symulacji to tylko ciekawy eksperyment myślowy, nowy i chwilowy trend internetowy, czy odpowiedź na pytanie po co żyjemy...?

    You may also like

    Comments are closed.