Internet kwantowy, czyli koszmar w szpiegowskim śnie

Czy optymistyczne przekonanie, że kwantowe transmisje zapewnią danym absolutne bezpieczeństwo, stanie się kiedyś niepodważalną zasadą cyfrowej komunikacji?

Podziel się

facebook twitter google+ linkedin email
Quantum Internet Norbert Biedrzycki blog

Przesyłanie informacji na duże odległości, tak by nie trafiły w niepowołane ręce, to jedno z najpoważniejszych wyzwań technologicznych współczesności. Dlatego administratorzy sieci i kryptolodzy z uwagą śledzą doniesienia o rozwoju internetu kwantowego. Czy optymistyczne przekonanie, że kwantowe transmisje zapewnią danym absolutne bezpieczeństwo, stanie się kiedyś niepodważalną zasadą cyfrowej komunikacji? Czy internet kwantowy powoli man się w pełni zabezpieczyć przed cyber atakami?

O tym, na czym polega działanie komputerów kwantowych, pisałem na moim blogu kilka miesięcy temu (link). Dzisiaj chcę podzielić się spostrzeżeniami dotyczącymi kwantowej sieci. Myślę, że w tym przypadku możemy mówić o polu doświadczalnym, które ma kluczowe znaczenie dla globalnych systemów informatycznego bezpieczeństwa. Czy internet kwantowy zapewni kiedyś spokój wszystkim, którzy odpowiadają za ochronę danych, stając się koszmarem dla tych, którzy zajmują się ich wykradaniem? Dzisiaj jeszcze tego nie wiemy – w obszarze kwantowej technologii trudno na razie o stuprocentowe gwarancje. Pewne jest jednak to, że kwantowa komunikacja budzi olbrzymi apetyt wojska, rządów i tych gałęzi biznesu, dla których zabezpieczenie danych jest celem numer jeden.

Umiemy liczyć, ale nie łapać złodziei

Jako użytkownicy technologii znajdujemy się w momencie, w którym problemem nie jest ani produkcja informacji, ani ich komercjalizacja, czy adaptacja do potrzeb współczesnego biznesu. Potrafimy je produkować (wręcz mamy kłopot z nadprodukcją) i materializować, nadając im formę coraz bardziej pomysłowych urządzeń. Radzimy sobie coraz lepiej – między innymi dzięki sztucznej inteligencji – z ich przeszukiwaniem, porządkowaniem i klasyfikowaniem, co cieszy szczególnie przedstawicieli nauki i medycyny. Ciągle jednak brakuje nam poczucia, że potrafimy zapewnić im należyte bezpieczeństwo. Emocje przeciętnych użytkowników internetu, jak i biznesowych profesjonalistów budzą cykliczne doniesienia o wyciekach danych osobowych z banków, instytucji publicznych i portali społecznościowych. Gdy dowiadujemy się o manipulacjach informacjami, za które odpowiadają kręgi o niejasnym statusie politycznym, wzrasta u nas poczucie dyskomfortu. Czyli krótko mówiąc, potrafimy coraz lepiej liczyć i porządkować dane, ale nie potrafimy równie skutecznie się zabezpieczać. A sądzę – i nie jestem w tym zdaniu odosobniony, że osiągnięcie kluczowej przewagi biznesowej i politycznej w coraz większym stopniu będzie zależeć od umiejętności pełnej ochrony informacji.

Quantum Internet Norbert Biedrzycki blog 1

Krewny blockchaina

Oczywiście nie jest tak, że w kwestiach bezpieczeństwa informacyjnego świat stoi w miejscu. Wielokrotnie wskazywałem na duże walory technologii blockchain, która – jak żadna inna dotychczas – zbliżyła nas do ideału informatycznego bezpieczeństwa. Wykorzystując zasady kryptografii, blockchain pozwala nam kontrolować obrót danymi i uniemożliwia niepożądane i ukryte ingerencje w ich zbiory. Myślę, że internet kwantowy ma równie duże, albo nawet jeszcze większe predyspozycje ku temu, by nasze dane skutecznie chronić. Potrzebujemy jednak kilku lat doświadczeń (specjaliści mówią o przynajmniej 10-ciu), by pozbyć się poważnych przeszkód, które powodują, że na razie internet kwantowy jest ambitnym projektem w początkowej fazie rozwoju, a nie fortecą, której nie potrafi sforsować żaden szpiegowski algorytm.

Magiczne splątanie

Sednem działania internetu kwantowego jest przesyłanie wszelkiej maści danych przy użyciu sygnałów kwantowych. Jednym z kluczowych pojęć, które dotyczy kwantowej transmisji i ją właściwie umożliwia jest „splątanie” – w obrazowym uproszczeniu można nazwać je specjalną relacją między dwiema cząstkami, które są nierozerwalnie ze sobą połączone, a ich stan ma bliźniaczą postać. Jeśli więc jedna z takich cząstek będzie poddawana obserwacji i pomiarom, które wpłyną na jej stan, druga natychmiast „odczuje” konsekwencje tego procesu, nawet gdyby wędrowała po innej galaktyce. To kontrowersyjne – z perspektywy fizyki klasycznej –- zjawisko zostało potwierdzono podczas eksperymentów z użyciem fotonów.Iwłaśnie to unikalne związanie dwóch cząstek może być wykorzystywane do przesyłania informacji na odległość. Co w tym wszystkim najważniejsze – przesyłanie jest całkowicie bezpieczne. Skąd ta pewność?

Quantum Internet Norbert Biedrzycki blog 1

Twierdza nie do zdobycia

Jej podstawą jest zjawisko kwantowej dystrybucji klucza, dzięki której uczestnicy komunikacji (nadawca i odbiorca) dysponują tajnym, generowanym losowo ciągiem znaków, który pozwala na szyfrowanie i deszyfrowanie informacji wyłącznie tym osobom, które go współdzielą. Wszelka zewnętrzna ingerencja w wiadomości (obserwacja lub podsłuch) przez podmioty nieuprawnione powoduje natychmiastowy alarm. Co więcej nielegalne dekodowanie informacji powoduje zmianę stanu kwantowego i natychmiastowe zniszczenie treści wiadomości. Tym samym wszelkie szpiegowskie, nieuprawnione działania w sieci kwantowej stają się praktycznie niewykonalne. W teorii możemy więc spodziewać się rewolucji w internecie. Będziemy budować sieci, do których nie da się włamać, i które pozwalają przesyłać informacje z prędkością światła.

Obietnice…

Jednak póki co, dzisiejsze twierdzenia o absolutnym bezpieczeństwie przesyłanych wiadomości bazują przede wszystkim na podstawach kwantowej fizyki. Niestety, ta mocno obiecująca wizja ciągle niejako nie ma stuprocentowego potwierdzenia w praktyce. Z prostego zresztą powodu – do dzisiaj nie udało się zbudować większej kwantowej sieci, a dotychczasowe eksperymenty z kwantowymi transmisjami to bardzo wczesny, „przedszkolny” etap działań. Wszystko dopiero się zaczyna, a podnieceniu, które towarzyszy badaniom, towarzyszą chłodne konstatacje o tym, że musimy pokonać sporo poważnych przeszkód.

…i realia

Po pierwsze kwantowe transmisje naziemne dokonywane przy pomocy światłowodu mają mały zasięg (od kilku metrów do maksymalnie stu kilometrów). Niewielkim odległościom towarzyszyły dotąd krótkie okresy czasu. Stany kwantowe w większości przypadków utrzymywały się najwyżej przez kilka sekund, a potem doświadczały dekoherencji, czyli degradacji. Specjaliści nieustannie głowią się nad tym, czy możliwe jest skonstruowanie odpowiednich wzmacniaczy sygnału kwantowego, który zapewniałyby transmisjom większą siłę i trwałość. Pewnym rozwiązaniem problemu może być zastosowanie systemu pół-kwantowego, w którym przesyły odbywałyby się między zaufanymi węzłami dekodującymi i ponownie kodującymi informacje. Prace dotyczą także odpowiedniego materiału, który pozwoliłby na bezpieczne i długotrwałe przechowywanie danych w kwantowej pamięci, tak by mogły być gromadzone na dłużej niż kilkadziesiąt sekund.

Kwantowy postęp

Na szczęście historia walki z oporną kwantową materią zawiera w sobie też spore sukcesy, a czas przesyłu, jak i odległości systematycznie się zwiększają. W 1998 roku austriackiemu fizykowi Antonowi Zeilingerowi udało się zwiększyć odległość między splątanymi fotonami do zaledwie kilkuset metrów. Ale już w 2015 roku zespół Ronalda Hansona wykorzystał splątanie kwantowe do wysłania wiadomości na odległość 1,3 kilometra. Transmisja trwała ułamki sekund i można było ją tworzyć raz na godzinę. Ale okres ostatnich 3 lat to duży i systematyczny postęp w badaniach i osiągach technicznych. Realizowano już przesyły o długości 100 km, a prędkość w porównaniu do roku 2015 wzrosła dziesiątki razy – wiadomości na odległość 20 kilometrów można wysyłać z szybkością 1Mbps.

Quantum Internet Norbert Biedrzycki blog 3

Laserowa wiązka z kosmosu

Największy jak dotąd krok w rozwoju tej technologii zawdzięczamy chińskim naukowcom, którym udało się dokonać transmisji na imponującą odległość 1200 km. Byłoby to niemożliwe przy użyciu naziemnego światłowodu. Dlatego Chińczycy postanowili, że skorzystają z przestrzeni kosmicznej i laserów do dokonania transferu. Satelitę Micius, który miał przenieść badania nad kwantową komunikacją do innego wymiaru, wystrzelono na orbitę w sierpniu 2016 roku. Splątane pary kwantów powędrowały do ziemskich stacji odbiorczych. Doświadczenie było oczywiście niezwykle skomplikowane, o czym zresztą mówi przytaczana przez chińskich naukowców anegdota. Według niej prawdopodobieństwo, że wiązka lasera wysłana z kosmosu zostanie przechwycona przez naziemną stację, porównywano do sytuacji, w której ktoś próbuje wrzucić do skarbonki monetę z samolotu lecącego na wysokości 10 kilometrów. Jednak się udało. I chociaż satelita mógł wysyłać sygnały, ale nie mógł przechowywać informacji (ciągle trudny problem z pamięciami) to sukces z kosmiczno-ziemskim przesyłem zrodził wśród naukowców sporo optymizmu. Jeśli ufać opinii chińskich naukowców, ok. 2030 roku możemy spodziewać się kilku satelitów podobnych do Miciusa i pierwszych rozbudowanych sieci kwantowego internetu w niektórych państwach. Pierwsze prezentacje kwantowej sieci, która łączyłby kilka miast zapowiedzieli też naukowcy z Holandii. Ma to się odbyć w 2020 roku.

Co dalej?

Internet kwantowy i kwantowe komputery to dzisiaj jeden z najbardziej fascynujących obszarów technologii informatycznych. Niezwykle obiecujący, ale ciągle pełen tajemnic. Dla globalnego cyberbezpieczeństwa konsekwencje upowszechnienia się sieci kwantowych mogą być ważne i duże.

Jeśli oczekujemy więc na kolejny przełom na miarę wynalazku internetu, działania sztucznej inteligencji lub technologii blockchain, to sądzę, że dokona się on właśnie na tym obszarze. Nie sądzę jednak, aby sieci kwantowe szybko wyparły tradycyjne sieci światłowodowe. W bliskiej przyszłości mogą one stać się specjalistycznym terytorium, z którym będzie można się od czasu do czasu łączyć, po to by na przykład wysłać zaszyfrowane wiadomości. Z pewnością najbardziej docenią go astronauci, laboratoria naukowe korzystające ze złożonych obliczeń i wojsko.

.   .    .

Cytowane prace:

Norbert Biedrzycki blog, The world of quantum computers, link, 2019.

Nature, Aleksey K. Fedorov, Evgeniy O. Kiktenko & Alexander I. Lvovsky,Quantum computers put blockchain security at risk, link, 2018. 

Science, Stephanie WehnerDavid Elkouss& Ronald Hanson,Quantum internet: A vision for the road ahead, link, 2018. 

TechCrunch, John Biggs, Meet the quantum blockchain that works like a time machine, link, 2018. 

Gizmodo, Ryan F. Mandelbaum,Blockchain Is Especially at Risk for Quantum Attacks, Scientists Warnlink, 2018. 

PhysOrg, by University of Science and Technology of China, Real-world intercontinental quantum communications enabled by the Micius satellite, link, 2018. 

.    .    .

Powiązane artykuły:

– Technologie które zmienią świat w 2019 roku

– Kto zyska a kto straci na rewolucji cyfrowej?

– Kiedy przestaniemy być biologicznymi ludźmi?

– Sztuczna inteligencja to nowa elektryczność

– Roboty czekają na sędziów

Skomentuj

8 comments

  1. Piotr Kieczuch

    Komputer kwantowy nie jest jedynie buzz wordem, i myślę że mówię to też w imieniu wielu naukowców, polskich czy zagranicznych. Choć nikt nie może uczciwie obiecać, że komputery kwantowe z pewnością kiedyś pojawią się i będą rzeczywiście biały praktyczne zastosowanie, to większość z badaczy głęboko wierzy, znajdując oparcie w obecnym rozwoju tej dziedziny, że ta wizja się urzeczywistni, i co więcej aktywnie wspomaga jej urzeczywistnieniu.

  2. Piotr

    Nestety ale to nie dla wszystkich. Układy kwantowe muszą być przechowywane w izolowanym środowisku, w temperaturze bliskiej zeru bezwzględnemu. Niewyobrażalny wprost wzrost wydajności okupiony jest skomplikowanym procesem zabezpieczania funkcjonowania systemu. Trudno sobie wyobrazić, by komputery kwantowe mogły pojawić się jako element technologiczny w przedsiębiorstwach.

  3. Zwierzak

    Kubit stanowi superpozycję klasycznego zera i jedynki, co da się w skrócie określić, że przyjmuje po części wartość 0 i po części 1 w jednym momencie.

  4. Piotr91AA

    Chińczycy zainwestują do 2020 roku 10 miliardów dolarów w informatykę kwantową. To kilkakrotnie więcej, niż na tego typu działania wydaje cała Europa.

  5. Piotr91AA

    Komp kwantowe mogą zostać zaprzęgnięte do programów kosmicznych i systemów wojskowych, obliczać czynniki ryzyka w bardzo skomplikowanych operacjach finansowych, może nawet znaleźć skuteczne leki na nieuleczalne dziś choroby. Ale nie do wszystkiego. Nie bedze kom kwantowego na każdym naszym biurku. Algortmy probabilistyczne nie są do kazdych zastowań