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.
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?
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.
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 Wehner, David 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 Warn, link, 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?
Pico Pico
Fajne. Rozwali to internet jaki znamy
TomekJacek
20 lat temu wszystko było „komputerowe”, 10 lat temu wszystko (nawet molekuły w szamponie) było „inteligentne”, aktualnie wszystko jest „sztucznie inteligentne”. Chociaż to często podobne systemy jak te stosowane 20 (czy nawet 40-50 lat temu). Ciekawe jaki przymiotnik za 10 lat wymyślą?
NorTom2
Nawet jeśli obliczenia kwantowe dojdą do punktu, w którym podpisy cyfrowe mogą zostać naruszone, teraz oznacza to, że ktoś musiałby być w stanie skompromitować podpis cyfrowy w czasie między przesłaniem go do sieci a potwierdzeniem wydania środków, a następnie podpisać inną transakcję i dokonać podwójnego wydatkowania w czasie krótszym, niż 10 minut.
AKieszko
Losowość stanów kubitów nie trudno udowodnić. Wystarczy przenosząc to na ludzkie działania, podać taki przykład. Bierzemy niewprawnego gracza, a ten stara się trafić piłką w kosz. Tu od samego początku było wiadomo, że będzie trafiał nie tylko do kosza. Tak wygląda to tu tłumaczenie, o udowodnieniu przez Google. Tego że kubity mogą mieć więcej niż dwie pozycje, stany. Zwłaszcza ciekawe jest mówienie o stanie kwantowym jako superpozycji. Super pozycja, czyli używając analogii, w nic się nie angażuję, jestem w super pozycji. Piszę o tym nie tylko na podstawie tego artykułu bo śledzę też inne publikacje. Wracając do super pozycji, nic nie robienia. Sprawa może być ciekawa, na zasadzie fantastyki kosmicznej. Która obecnie już się coraz bardziej potwierdza. Tak samo i okiełznanie super pozycji kwantowego kubita. Dopiero wtedy możliwe by były obliczania z tak wielką szybkością. Czytaj na zasadzie adresowania danych stanów kubitowych, takich bądź innych. Dopiero wtedy można mówić, o wydajności kubitowych konstrukcji to jest o ogromnej mocy obliczeniowej, wynikłej z gigantycznej szybkości działania takich konatrukcji. Możliwe że obecne konstrukcje, mają już jakiś poziom wiarygodności obliczeń. Lecz sporo jest tu przeszkód natury tego świata. Choćby przenilanie cząstek typu neutrinów. Od których to też trzeba taką konstrukcję chronić.
CabbH
Dobrze zrozumiałem, że mamy mnóstwo różnych wyników obliczeń i wybieramy najbardziej prawdopodobny?? I że te wyniki są zależne od temperatury otoczenia i innych podobnie stabilnych zdarzeń w pobliżu?
Krzysztof Bikowski
Niestety nie da się wykorzystać splątania kwantowego do przekazywania informacji na dowolną odległość.
Do odczytu informacji trzeba znać stan obu splątanych „cząstek” = trzeba „normalnie” przesłać informację o stanie.
Krzysztof Bikowski
Dawno nie czytałem tak konkretnie wytłumaczonych zagadnień z zakresu fizyki kwantowej, zwłaszcza w tych mniej naukowych, a bardziej popularnych częściach internetu.
Peter71
Warto napisac tu cos dluzszego
Andrzej
Jestem blizej zrozumienia o co chodzi z kom kwantowymi. Dziekuje
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.
Adeptus99
Bardzo wartosciowy wpis
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.
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.
Piotr91AA
Chińczycy zainwestują do 2020 roku 10 miliardów dolarów w informatykę kwantową. To kilkakrotnie więcej, niż na tego typu działania wydaje cała Europa.
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
Karel Doomm2
Interesting 😉