Kvantový internet: od bitů ke qubitům. Superpozice, propletení a budoucnost digitální komunikace

Kvantový internet si ve světě moderních technologií ukrajuje stále větší pozornost. Otevírá nové možnosti v oblasti výpočetního výkonu a bezpečnosti dat, které mohou zásadně ovlivnit, jak lidstvo řeší nejkomplexnější technologické výzvy. Tento nový typ sítě propojí kvantové počítače a umožní přenos dat zakódovaných v kvantových stavech. A i když nenahradí současný „klasický“ internet, doplní ho o pokročilé funkce, jako je kvantová kryptografie nebo kvantové cloudové výpočty.

Jak kvantový internet funguje

Kvantový internet využívá dvou základních pravidel, která jsou běžná pro částicový svět – superpozici a propletení.

1) Superpozice

Klasické počítače pracují s informacemi zakódovanými v bitech – ty mohou nabývat buď hodnoty 0, nebo 1. Kvantové počítače místo toho využívají qubity – kvantové bity, které mohou být současně ve více stavech díky jevu zvanému superpozice.

Superpozici je trochu obtížné si v naší běžné realitě představit, ale v kvantovém (částicovém) světě jde o normální jev. Řekněme, že máte minci. Pokud ji položíte na stůl, bude to buď hlava nebo orel – podobně jako klasický bit, který je buď 0, nebo 1. Ale v kvantovém světě to vypadá, jako byste mincí neustále otáčeli ve vzduchu. Není to ani hlava, ani orel, ale „mix“ obou stavů. Podobně jako kvantová superpozice, ve které je qubit kombinací stavů 0 i 1 současně. Až teprve když mince přistane (dojde k pozorování/měření), ukáže se hlava, nebo orel – stejně tak až po měření se qubit „rozhodne“, zda je 0, nebo 1.

Jedním z kvantových stavů, které lze využít k zakódování informace, je vlastnost zvaná „spin“, což je úhlová hybnost elektronu. Spin si můžete představit jako malou ručičku, která ukazuje buď nahoru, nebo dolů. Vědci mohou manipulovat s touto ručičkou a zakódovat informaci do samotných elektronů, podobně jako by to dělali s běžnými bity - v tomto případě je však informace zakódována v kombinaci možných stavů. Qubity nejsou ani 0, ani 1, ale spíše obojí a ani jedno, v kvantové superpozici.

Tato vlastnost umožňuje kvantovým počítačům zpracovávat informace zcela jiným způsobem než jejich konvenční protějšky, a proto mohou řešit určité typy operací, které by i těm nejvýkonnějším superpočítačům zabraly desítky let.

Aby však kvantový počítač mohl tento potenciál využít, musí být schopen zpracovat obrovské množství qubitů - více, než v současné době zvládne jakýkoli jednotlivý stroj. Kvantový internet tak bude sloužit k propojení kvantových počítačů a díky tomu spojí jejich výpočetní výkon.

2) Propletení
 

Dalším důležitým jevem pro fungování kvantové sítě je propletení (entanglement), kdy jsou dva qubity vzájemně provázány tak, že změna stavu jednoho okamžitě ovlivní stav druhého, bez ohledu na vzdálenost mezi nimi. Tento princip bude klíčový pro efektivní fungování kvantového internetu, protože umožní přenos informací mezi vzdálenými kvantovými počítači s nevídanou rychlostí a bezpečností.

Analogie propletení v běžné realitě by pak mohla vypadat zhruba takto: představte si pár rukavic. Jednu rukavici z páru necháte poslat na druhý konec světa a druhou si necháte. Přitom nevíte, jestli jste nechali poslat levou, nebo pravou rukavici. Jakmile se ale podíváte na svoji rukavici, ihned víte, jaká rukavice je na druhém konci světa.

Dva qubity jsou propojené tak, že jakmile změříte jeden, okamžitě ovlivníte stav druhého, a to bez ohledu na vzdálenost. Přitom mezi nimi zdánlivě „neexistuje“ žádné viditelné spojení – jde o čistě kvantový jev.

Co přinese kvantový internet
 

Zjednodušeně řečeno, umožní budoucí kvantový internet odesílat a přijímat informace pomocí qubitů (kvantových bitů), které se řídí pravidly kvantové mechaniky.

Jednou z hlavních oblastí, kde kvantový internet zaznamená průlom, je bezpečnost komunikace. Dnešní šifrovací metody, i když velmi pokročilé, jsou teoreticky prolomitelné. Kvantová kryptografie však slibuje šifrování, které nelze prolomit ani při využití nejsilnějších klasických superpočítačů. Díky vlastnostem kvantové fyziky by totiž jakýkoli pokus o narušení kvantově šifrované komunikace okamžitě změnil kvantový stav na obou místech kvantového propojení, což by zaručilo detekci takového útoku. Tento přístup otevírá cestu k absolutní bezpečnosti dat.

Stejně tak to ale znamená, že současné metody šifrování jsou pomocí kvantových počítačů jednoduše prolomitelné v řádů sekund nebo minut.

Další důležitou aplikací kvantového internetu bude kvantový cloud computing. Místo toho, aby měl každý uživatel svůj vlastní kvantový počítač, který je extrémně složitý a nákladný na provoz, budou tyto stroje umístěny v centrálních výzkumných nebo komerčních institucích. Kvantové výpočetní služby pak budou dostupné přes cloud, což umožní sdílení ohromného výpočetního výkonu, aniž by bylo nutné vlastnit a udržovat vlastní kvantový hardware.

Kvantový internet bude také zásadní v oblastech, které vyžadují extrémně přesné časování a synchronizaci.

Experimenty s kvantovou komunikací
 

I když je koncept kvantového internetu teprve v plenkách, už se rýsují určité výsledky. V roce 2017 vědci z Čínské vědeckotechnické univerzity úspěšně použili lasery k přenosu provázaných fotonů mezi družicí na oběžné dráze a pozemními stanicemi. Experiment ukázal možnost využití družic jako součást kvantové sítě, ale systém dokázal zachytit pouze jeden foton z každých 6 milionů - příliš málo na to, aby se dal použít pro spolehlivou komunikaci.

V roce 2020 tým z Chicagské univerzity a Argonne National Laboratory otestoval 54 mílovou kvantovou smyčku v oblasti Chicaga. Síť v roce 2022 rozšířili na délku 124 mil a přenáší jí kvantově kódované informace mezi několika uzly včetně výzkumných center a univerzit.

Výzvy a budoucnost kvantového internetu
 

I přes jisté pokroky existuje stále mnoho technických překážek, které je třeba překonat, než bude možné kvantový internet nasadit globálně. Jedním z hlavních problémů je udržování qubitů ve stabilním stavu po dlouhou dobu, protože jsou velmi náchylné na rušení vnějšími vlivy. Kvantové počítače také vyžadují extrémně nízké teploty, často blízké absolutní nule (-273,15 °C), což dělá jejich provoz velmi nákladným.

Dalším klíčovým krokem je vývoj kvantových opakovačů, které budou schopné přenášet kvantové informace na dlouhé vzdálenosti bez ztráty integrity dat. Současné technologie umožňují přenos na relativně krátké vzdálenosti, ale pro dosažení globálního pokrytí je nutné vyvinout spolehlivé metody pro udržení kvantové provázanosti na tisíce mil.

Vývoj kvantového internetu zkrátka slibuje nejen bezpečnější a výkonnější komunikaci, ale i nové objevy v oblastech, které dnes ještě plně nedokážeme předvídat. Koncept tedy není jen technologickou vizí – je to cesta, kterou se lidstvo pomalu, ale jistě vydává.

Spolehlivý internet – ověřte si rychlost a cenu

Kvantový internet zatím nabídnout neumíme, ale zkuste si online ověřit rychlost „běžného“ internetu na své adrese. Nebo zavolejte našemu Ajťákovi na příjmu – internet je jeho parketa. Poradí vám s rychlostí internetu i technologií připojení. V Nordicu Vás umíme připojit na 99 % adres po celém Česku přes optiku, nejmodernější 5G internet i DSL sítě.