Na pragu kvantnega interneta

Po 50 letih nova velika prelomnica

Pred točno petdesetimi leti se je rodil internet. Oktobra leta 1969 je bilo namreč preko interneta poslano prvo sporočilo. Danes si niti ne moremo predstavljati kakšen izziv je to predstavljalo in koliko truda so vložili za uspešen prenos ene same informacije. Točno pol stoletja zatem pa smo na pragu nove revolucije, rojstva kvantnega interneta, ki je prav tako v povojih in kjer pošiljanje ene same informacije zahteva popolnoma druge principe in tehnologijo.

Kvantni internet

Od običajnega interneta se razlikuje v tem, da deluje po principu zakonov kvantnega sveta. Namesto o običajnih bitih, torej ničlah in enkah, govorimo o kvantnih bitih. Na tem nivoju delujejo zelo čudni zakoni, ki odpirajo popolnoma novo razsežnost nadaljnjega razvoja. Delci so v osnovi v superpoziciji, kar pomeni, da so v danem trenutku v vseh potencialnih stanjih. Pri kubitih to pomeni večjo kapaciteto in posledično več spomina, večjo hitrost in moč tovrstnih računalnikov in interneta. Seveda imamo pri prenosu podatkov tako kot pri običajnem internetu, končne točke, ki so v tem primeru kvantni računalniki, medij za prenos tovrstnih podatkov pa so optična vlakna, saj se podatke pošilja v obliki fotonov. Ti računalniki za delovanje potrebujejo manj kot 10 kubitov, za pošiljanje informacije pa pravzaprav zadošča že en sam kubit. Znanstveniki torej želijo izkoristiti te čudne kvantne zakonitosti, hkrati pa ravno te lastnosti predstavljajo največje probleme in izzive.

Prepletenost

Ena izmed lastnosti je kvantna prepletenost. Za prepletenost je značilno, da sta lahko dva kubita medsebojno prepletena ne glede na čas in prostor, kar pomeni, da bi lahko imeli 2 povezana kubita na dveh koncih sveta, vedno pa bi vsebovala popolnoma identično informacijo oziroma bi se sprememba pri enem odrazila na drugem v trenutku. Tako sta lahko 2 delca, ki sta v stanju medsebojne kvantne povezave odličen medij za tako imenovano teleportacijo na dolgih razdaljah.

Ko so enkrat prepleteni

Ko sta dva kubita medsebojno prepletena, v to povezavo ne moremo dodati še tretjega. Sicer je to povezanost mogoče ustvariti med več delci hkrati, vendar pa le v času prepletanja, ne pa naknadno. Tako imamo vzpostavljeno povezavo, ki je nadvse hitra in predvsem varna, saj na poti od enega do drugega ne sme priti do nikakršne interference, kajti ta bi bila takoj zaznana in komunikacija ovržena. Na kvantne delce namreč vpliva že sama meritev ali kakršnokoli opazovanje, kar seveda posledično onemogoči prisluškovanje. Kubitov tudi ne moremo kopirati, kar je še ena lastnost, ki omogoča varnost.

Kriptografija prihodnosti

Ker postajajo računalniki vedno bolj zmogljivi, današnji sistem enkripcije kmalu ne bo več zadoščal. Predvsem pa današnja kriptografija ne bo več delovala, ko bodo prišli v uporabo kvantni računalniki, ti bodo namreč sposobni kaj hitro razvozlati ključ. Se pa ravno na principu omenjenih lastnosti danes razvija nova tehnologija, tako imenovana distribucija kvantnih ključev. Ta deluje na podlagi prej naštetih lastnosti, zato tovrstnih ključev ne bo več mogoče niti prestreči kaj šele dešifrirati.

Sedaj pa še k problemu

Do sedaj so vsi poskusi na podlagi prepletenosti dveh delcev in prenosa informacij med njima potekali na kratkih razdaljah, pri prenosu na daljših pa se zgodba malce zaplete.

Za prenos informacij potrebujemo optično omrežje, saj pošiljamo fotone, usmerjanje pa ravno tako kot v običajnemu internetu, opravijo usmerjevalniki. Pri premagovanju razdalj pa se pojavi problem. Pošiljamo namreč le en sam foton, ki pa se seveda na poti po optičnem vlaknu kaj hitro izgubi. Do danes je sicer raziskovalcem že uspelo premagati razdalje nekje med 100 in 200 km, za premagovanje daljših razdalj, pa so nujno potrebni ponavljalniki, katerih naloga je ojačitev signala. Kot že omenjeno, pošiljamo le en sam foton, ki pa se bo brez ponavljalnikov kaj kmalu izgubil. Ker jih ni mogoče kopirati, pomeni da je informacija izgubljena za vedno.

Ponavljalniki bi morali znati skladiščiti podatke v kvantni obliki, kar je že samo po sebi velik izziv, saj je življenjska doba kvantov zelo kratka. Znanstveniki pa še vedno iščejo material, ki bi služil za podlago kvantnemu spominu. Poleg tega pa bi bili izjemno dragi, saj kvantni procesi potekajo le pri izjemno nizkih, tako imenovanih kriogenih temperaturah, torej temperaturah pod pragom zamrzovanja.

Veliko prelomnico pa so ravno te dni dosegli raziskovalci pod taktirko profesorja Hoi-Kwong Lo na univerzi v Torontu. V sodelovanju z Univerzo v Osaki jim je uspel namreč dokazati koncept (proof-of-concept) za popolnoma drugačen sistem. Ta temelji na popolnoma fotonski zasnovi, katera deluje pri sobni temperaturi in ne potrebuje posebnega spominskega medija. Podvig so izpeljali na optičnem omrežju in temu primerno, s pomočjo na istem principu delujočih, optičnih ponavljalnikov.

Jutri verjetno še ne bomo na kvantnem omrežju, vendar pa, glede na eksponentno rast tehnološkega razvoja, na kvantni internet ne bomo čakali naslednjih 50 let.