O kvantových počítačích a jejich možných dopadech na řadu oborů se mluví v podstatě desítky let. Byť skeptici namítají, že skutečně zásadní průlom stále nepřišel, celý obor ve skutečnosti postupuje slušným tempem a láká velké množství investic. Důkazem budiž i první kvantový počítač v Česku umístěný v Ostravě. Vedle toho se rychle rozvíjí další kvantová větev zaměřená na komunikaci, bezpečnost a šifrování. V Česku byla nedávno spuštěna páteřní síť pro distribuci kvantových klíčů, podobnou nabízí i CETIN jakožto komerční službu.
Další progres dokumentují dva zajímavé projekty, kolem nichž se točí i Češi. První z nich se týká kvantového provázání fotonů na ČVUT. Druhý souvisí s takzvanou kvantovou teleportací, kterou realizoval operátor Deutsche Telekom (T-Mobile), respektive jeho výzkumná sekce T-Labs vedená Čechem. Obě technologické ukázky v budoucnu mohou vést ke stavbě kvantového internetu, kdy mezi sebou budou moci komunikovat kvantové počítače.
Kvantové provázání na ČVUT
Na Fakultě elektrotechnické ČVUT se děje řada těžko vysvětlitelných věcí. Už desítky let se tam například vyskytují záhadní trpaslíci. Při sestupu do sklepení začíná přituhovat. V prvním podzemním patře se nachází před pár lety modernizovaná laboratoř Nanolab zaměřená na čipy a polovodiče, a to včetně místnosti, kam neproniká prach. A v dungeonu o patro níž byla nedávno uvedena do chodu kvantová laboratoř.
Tento lab je součástí širšího projektu CZQCI, tedy zmíněné národní páteřní kvantové sítě vybudované organizací CyberSecurity Hub. Tato síť spojuje několik měst a v budoucnu (pokud stát uvolní peníze) se napojí na celoevropskou síť EuroQCI.
Síť slouží k takzvané kvantové distribuci klíče (QKD). Princip jsme vysvětlovali zde a samotnou síť CZQCI popsali tady. Stručně řečeno, dvě zařízení (Alice a Bob) si kvantovým kanálem po optické síti vyměňují symetrický klíč pro zašifrovaná data běžící tradičním internetem. Využívá se stav fotonu. Takové systémy se nedají odposlouchávat, respektive při pokusech o něco takového dojde k odhalení.
Páteřní síť QKD má kromě jiného sloužit jako prostor pro výzkum, vývoj a přípravu na budoucnost. I proto na FEL ČVUT vznikla zmíněná laboratoř, kam jsou vedle studentů a akademiků zváni i další zájemci. Otestovat si mohou praktické nasazení kvantového klíče a komunikace.
Laboratoř má k dispozici přístroje typu Alice a Bob od dvou výrobců, a sice HEQA Security a Luxquanta. Dnes lze říci, že už jde o “běžné” přístroje a rozvíjející se sektor podnikání, kde soupeří několik komerčních dodavatelů. Národní páteřní síť například běží na prvcích Toshiba a CETIN si zvolil evropský ID Quantique (IonQ).
Ovšem součástí labu jsou i tři výrazně exotičtější “krabice”, které dodala rakouská firma Zerothird (dříve Quantum Industries). Tyto přístroje (naše galerie) jsou praktickou ukázkou toho, jak rychle se obor kvantové komunikace rozvíjí. Do běžných serverových rozvaděčů (racků) totiž je možné bez problémů umístit technologie využívající kvantové provázání fotonů. Práce Zerothird je tak kromě jiného zhmotněním Nobelovy ceny za fyziku z roku 2022, kterou získali Alain Aspect, John Clauser a Anton Zeilinger.
Technologie Zerothird slouží pro distribuci kvantového klíče, ovšem za využití provázaných párů fotonů. Zatímco běžné systémy QKD často používají protokol BB84, rakouský výrobek staví na pokročilejším protokolu BBM92. Systém se skládá ze zdroje provázaných fotonů, přijímače (Alice a Bob) a klasického komunikačního kanálu sloužícímu k synchronizaci a finálnímu dopočítání klíče.
Zdroj obsahuje krystal, do něhož se svítí silným laserem, díky čemuž dojde k rozštěpení fotonu na dva provázané fotony s nižší energií. Tyto fotony jsou vyslány k Alici a Bobovi. Dokud nejsou změřeny, je jejich stav náhodný.
Alice a Bob měří polarizaci přicházejících fotonů s tím, že si pro každý jednotlivý foton náhodně zvolí měřicí bázi. Pokud si zvolí stejnou bázi, výsledky budou korelované. Pokud zvolí různé báze, výsledky budou náhodné a neprovázané. Alice a Bob si nesdělují, co naměřili, ale pouze v jaké bázi měřili. Výsledky, kde se v bázích neshodly, jsou zahozeny. Tam, kde dojde k trefě do stejné báze, zůstane identická sekvence bitů, takzaný Sifted Key. Zerothird dále vezme náhodně vybranou část Sifted Key a veřejně ji porovná, čímž se zjistí chybovost (QBER – Quantum Bit Error Rate). Korekci chyb se řeší přes algoritmy.
Kvantová teleportace v běžném prostředí
Německý operátor Deutsche Telekom (DT), který je vlastníkem českého T-Mobilu, letos na Mobile World Congressu v Barceloně prezentoval své testy takzvané kvantové teleportace. Ty má na starost sekce T-Labs ze značné části zakořeněná v Praze a vedená Čechem. Operátor zvládl kvantovou teleportaci informací (přenos kvantového stavu částic) v reálných podmínkách městské datové infrastruktury.
DT použil přístroje od americké společnosti Qunnect, které nasadil do své datové sítě v Berlíně dlouhé zhruba 30 kilometrů. Fotony běžely v rámci běžného provozu, optickými kabely tedy proudila i běžná internetová data. Na zařízení se můžete podívat v naší galerii z Barcelony.
Tato teleportace rovněž staví na kvantovém provázání. Zařízení od Qunnectu vytváří dvojici provázaných fotonů. Jeden z fotonů zůstává na startu a druhý se pošle optikou na konečnou stanici. Na startu se pak vezme třetí foton (nosič informace) a provede se společné měření s prvním fotonem. Tímto kontaktem dojde ke zničení původní informace na startu. Díky provázanému poutu se okamžitě změní stav fotonu na konci. Aby přijímač věděl, jak přesně má tento stav přečíst a upravit, pošle mu odesílatel klasickým internetem běžnou informaci o výsledku měření. Přijímač podle tohoto návodu částici upraví a získá přesnou kopii původní informace.
V procesu se používá takzvané Bellovo měření, které vezme foton nesoucí tajnou informaci a nechá ho na speciálním zrcadle srazit s prvním fotonem z provázaného páru. Při této kontrolované srážce se oba fotony promíchají a jejich původní samostatná identita (i s přenášenou informací) definitivně zanikne, avšak detektory zaznamenají jeden ze čtyř možných výsledků jejich vzájemného vztahu. Kvůli okamžité souhře kvantového provázání se tato zničená informace v ten samý moment “přelije” do druhého fotonu na kilometry vzdáleném konci optického kabelu. Ten se sice ihned přeskupí do požadovaného stavu, ale příjemce jej dokáže správně přečíst a dešifrovat až ve chvíli, kdy mu odesílatel pošle dvoubitový výsledek měření.
- Chcete mít Lupu bez bannerů?
- Chcete dostávat speciální týdenní newsletter o zákulisí českého internetu?
- Chcete mít k dispozici strojové přepisy podcastů?
- Chcete získat slevu 1 000 Kč na jednu z našich konferencí?
Staňte se naším podporovatelem
ČLÁNKY DO MAILU