Internet kwantowy – co to jest i jak działa?

Internet kwantowy to sieć przeznaczona do przesyłania informacji kwantowej, przede wszystkim kubitów, między urządzeniami kwantowymi. Nie zastąpi zwykłego internetu ani domowej sieci Wi-Fi. Ma współpracować z klasyczną infrastrukturą, zapewniając nowe sposoby zabezpieczania komunikacji i łączenia mocy obliczeniowej komputerów kwantowych.

Czym jest internet kwantowy?

W klasycznym internecie przesyła się bity, czyli wartości 0 i 1. Sieć kwantowa operuje na kubitach – jednostkach informacji, których stan opisują prawa mechaniki kwantowej. Dzięki temu może służyć nie do szybszego przeglądania stron, lecz do wymiany stanów kwantowych między komputerami, pamięciami i innymi urządzeniami.

Jednym z celów jest połączenie komputerów kwantowych w rozproszone systemy. Taka infrastruktura mogłaby pozwolić na wykonywanie zadań, z którymi pojedyncze urządzenie nie radzi sobie wystarczająco dobrze. Drugim ważnym obszarem jest bezpieczna komunikacja. W niektórych protokołach próba przechwycenia informacji zmienia jej stan i może ujawnić obecność podsłuchującego.

Jak działa internet kwantowy?

Podstawą komunikacji jest splątanie kwantowe. To szczególna korelacja między układami kwantowymi. Stan jednej cząstki jest powiązany ze stanem drugiej, nawet gdy obie zostaną od siebie oddalone. Samo splątanie nie jest jednak gotowym kanałem do przesyłania wiadomości z prędkością większą niż światło.

W praktyce wykorzystuje się je w procedurze teleportacji kwantowej. Jej celem jest przeniesienie stanu jednego kubitu na inny kubit znajdujący się w oddalonym miejscu. Nie oznacza to transportu cząstki, przedmiotu ani człowieka. Odbiorca otrzymuje odtworzony stan kwantowy, a pierwotny stan zostaje zniszczony w procesie pomiaru.

Teleportacja wymaga dwóch elementów. Najpierw nadawca i odbiorca muszą dysponować odpowiednio przygotowaną parą splątanych kubitów. Następnie nadawca wykonuje pomiar i przekazuje jego klasyczny wynik zwykłym kanałem, na przykład przez światłowód. Dopiero po otrzymaniu tej informacji odbiorca może zastosować właściwą operację i odtworzyć stan. Dlatego mechanizm ten nie umożliwia komunikacji nadświetlnej.

Najważniejsze pojęcia związane z działaniem sieci kwantowej można uporządkować tak:

• Kubit – podstawowa jednostka informacji kwantowej. Jego stan może być superpozycją stanów odpowiadających 0 i 1.
• Splątanie kwantowe – korelacja między układami kwantowymi wykorzystywana między innymi w teleportacji kwantowej.
• Dekoherencja – utrata właściwości kwantowych wskutek oddziaływania z otoczeniem, na przykład drgań, temperatury lub zakłóceń elektromagnetycznych.

Klasyczny kanał nie jest dodatkiem, który można pominąć. Internet kwantowy będzie więc infrastrukturą hybrydową. Informacja o stanie kwantowym może być przenoszona z użyciem splątania, ale wyniki pomiarów i dane sterujące nadal przechodzą przez zwykłą sieć.

Internet klasyczny a kwantowy – czym się różnią?

Obie sieci mogą korzystać z podobnych elementów fizycznych, takich jak światłowody, lecz służą innym celom i opierają się na innych zasadach.

Bezpieczeństwo nie oznacza jednak, że każda przyszła sieć kwantowa będzie automatycznie odporna na każdy atak. Ochrona zależy od protokołu, urządzeń, sposobu zarządzania kluczami oraz bezpieczeństwa całej infrastruktury. Zaletą mechanizmów kwantowych jest możliwość wykrycia pewnych prób podsłuchu, zanim przechwycone dane zostaną wykorzystane.

Jakie bariery trzeba pokonać?

Największy problem stanowi kruchość stanów kwantowych. Im dłużej kubit pozostaje w urządzeniu lub podróżuje przez medium transmisyjne, tym większe ryzyko, że otoczenie zmieni jego stan. Rozwój sieci na dużą skalę wymaga więc rozwiązań ograniczających kilka powiązanych trudności:

• Dekoherencja – kontakt z otoczeniem może zniszczyć delikatny stan kwantowy, zanim informacja dotrze do odbiorcy.
• Straty w światłowodzie – fotony są pochłaniane lub rozpraszane, a zwykłe zwiększenie mocy sygnału nie rozwiązuje problemu.
• Przekaźniki kwantowe – potrzebne są urządzenia, które pozwolą pokonywać większe odległości bez kopiowania nieznanego stanu, czego zabraniają zasady mechaniki kwantowej.
• Precyzyjna synchronizacja – nadajniki, odbiorniki i pomiary muszą działać z bardzo dużą dokładnością.
• Pamięci kwantowe – sieć potrzebuje sposobu przechowywania stanów przez czas wystarczający do wykonania operacji i przekazania danych sterujących.

Przekaźnik kwantowy nie jest więc odpowiednikiem klasycznego wzmacniacza. W zwykłej sieci sygnał można odczytać, skopiować i wysłać dalej. Nieznanego stanu kwantowego nie da się skopiować w ten sam sposób. Badacze pracują nad wykorzystaniem między innymi zamiany splątania, która może pozwolić na tworzenie kolejnych odcinków połączenia bez bezpośredniego wzmacniania kubitu.

Ważnym krokiem są eksperymenty pokazujące, że transmisja kwantowa może współistnieć z klasycznymi danymi w jednym światłowodzie. Zespół związany z Uniwersytetem Leibniza w Hannoverze opracował rozwiązanie umożliwiające rozdzielenie obu strumieni tak, aby ograniczyć wzajemne zakłócenia. Jeśli takie techniki będą działać na większe odległości i w warunkach sieci operatorskich, przyszła infrastruktura nie będzie musiała powstawać całkowicie od zera.

Jaka jest przyszłość internetu kwantowego?

Internet kwantowy pozostaje na etapie badań i demonstracji eksperymentalnych. Naukowcy testują połączenia światłowodowe, nowe źródła pojedynczych fotonów, pamięci kwantowe oraz przekaźniki. Przykładem komunikacji na dużą odległość był chiński satelita Micius, wykorzystany do eksperymentów ze splątaniem i transmisją kwantową między stacjami naziemnymi.

W przyszłości część połączeń może wykorzystywać istniejące światłowody, a satelity mogą pomóc w komunikacji między odległymi regionami. Nie oznacza to jednak, że przeciętny użytkownik szybko podłączy komputer do kwantowej wersji internetu. Najpierw trzeba zbudować stabilne węzły, przekaźniki i systemy zarządzania, które będą działać poza kontrolowanym laboratorium.

Najbardziej realne wczesne zastosowania dotyczą laboratoriów, centrów obliczeniowych, ochrony szczególnie wrażliwych danych i rozproszonych obliczeń kwantowych. Internet kwantowy ma więc uzupełniać klasyczną sieć, a nie ją zastępować. Jego rozwój zależy zarówno od fizyki kwantowej, jak i od jakości zwykłej telekomunikacji.