Kvantový internet

To, že čínská zpravodajská agentura Sin-chua má slabost pro květnatá líčení, je známá věc. Tentokrát však byl patos oprávněný - satelit, který se podle Sin-chua „s řevem vznesl směrem k tmavému nebi nad pouští Gobi“, může skutečně přinést velký obrat. Přibližně 600 kilogramů těžká družice, která nese název Micius - pojmenovaná podle starověkého čínského filosofa - se má stát základem pro první kvantové mezikontinentální propojení světa. Mohla by položit základní kámen pro technologii, která řeší zřejmě největší problém digitálního věku: napadnutelnost současných počítačových sítí hackery nebo špiony.

Kvantová síť slibuje absolutní bezpečnost. Její klíč totiž není založený na matematických funkcích, které jsou -jakkoli obtížně - ale přece jenom prolomitelné. Spočívá totiž na samotných fyzikálních zákonech. A ty ještě nikdo nikdy neobelstil.

Jde o náskok a tajné patenty

Využití zákonů kvantové mechaniky pro kryptografické účely bylo poprvé navrženo v roce 1984. Společnost ID Quantique ze Švýcarska pak v roce 2004 poprvé nabídla příslušný hardware. Přístroje o velikosti kufru, které si vyměňují kryptografický klíč v podobě světelných částic, však nikdy nedobyly masový trh. Technologie je totiž mnohem dražší než konvenční zabezpečení, funguje jenom do stovek kilometrů a umožňuje spojení pouze mezi dvěma jednotlivými body. Na obou těchto problémech nyní pracují Číňané - pozemní síť má do roku 2030 pokrýt celou zem a satelit má také poprvé umožnit mezikontinentální kvantovou komunikaci.

Evropané však nechtějí Dálnému východu toto téma přenechat. Evropská unie jednak chce investovat až jednu miliardu euro do projektu majáku pro kvantovou technologii, která bude zahrnovat také kvantovou kryptografii. Za druhé tým v Nizozemsku pracuje na sítích, které mají umožňovat mnohem více než čínská technologie - například zabezpečené výpočty v kvantovém cloudu. Kdo bude jako první provozovat kvantový internet, bude také určovat, jakým směrem se celé odvětví vydá. Jde o technický náskok, tajné patenty, kontrolu, a tím i o mnoho peněz - celosvětový závod je již v plném proudu.

Konec hry na kočku a myš

Zabezpečení je v tomto případě založeno na velmi podivných zákonech kvantové mechaniky. V jednom časovém okamžiku se může atom nacházet na několika různých místech, nebo částice světla může být polarizovaná současně jak vertikálně, tak i horizontálně. (V tomto aspektu lze vysledovat překvapující podobnost se starodávným čínským učením o prvcích jin a jang.) Zatímco klasické datové bity tak mohou mít hodnotu buď nula nebo jedna, kvantové bity nabývají hodnot současně jak nula, tak i jedna. Jestliže tomu tak je, nelze pořídit přesnou kopii tohoto kvantového bitu a jakýkoli pokus o to způsobí změnu stavu bitu. Proto není možné na kvantových kanálech odposlouchávat komunikaci, aniž by ji to narušilo, a odposlech by se prozradil. Kvantová kryptografie je tak považovaná za jedinou možnost, jak ukončit hru „na kočku a myš“, kdy na každou zbraň v závodu o bezpečnost hackeři dříve či později najdou novou protizbraň. „Technologie je zatím v začátcích,“ připouští Vadim Makarov, IT bezpečnostní specialista z Univerzity ve Waterloo. „Ale je důležité začít pracovat s kvantovou kryptografií, abychom nasbírali další zkušenosti.“
Čínská vláda je k tomu pevně odhodlána. Ještě v tomto roce chce tým z čínské University of Science and Technology vytvořit 2 000 kilometrů dlouhé kvantové propojení mezi Šanghají a Pekingem. Výzkumníci chtějí na toto propojení navázat již existující, menší kvantové sítě.

Třešničkou na dortu čínského projektu je pak satelit, který odstartoval do vesmíru v polovině srpna. Ve spolupráci s Institutem pro kvantovou optiku a kvantovou informaci ve Vídni chtějí Číňané na začátku roku 2017 poprvé vystavět mezikontinentální kvantové spojení. „Princip je podobný jako v laboratoři,“ říká Thomas Scheidl, vedoucí příslušné pracovní skupiny v Institutu. Ultrafialový laser vyšší intenzity září do speciálního krystalu, a ze světelných částic přitom vznikají dva kvantově provázané fotony s polovinou energie. Trik je nyní v tom, jak je oba oddělit a použít jako klíč pro tajné zprávy: jestliže je změřena polarizace částice ve Vídni, určí se také polarizace druhé částice v Pekingu, a naopak. Kdo se zkusí nabourat do této výměnné hry, zboří tím ochranu a tím i celý kryptografický klíč.

Stane se internet kvantovou sítí?

V Evropě se kvantovým internetem zabývají zejména Nizozemci v institutu QuTech v Delftu. Během pěti let chtějí díky prototypu propojit města Delft, Haag, Leiden a Amsterodam. Bezpochyby se jedná o ctižádostivý plán, ale vědci z institutu QuTech jsou nyní optimističtí. Už nyní je docela jasné, že také náš současný internet se jednou stane kvantovou sítí. Zabezpečení nejvyšší úrovně s použitím kvantově provázaných fotonů jsou dnes už v omezeném měřítku používána. Americká armádní agentura DARPA představila první funkční síť s kvantovým šifrováním již v roce 2003, takže se nejedná o úplně novou technologii.

U citlivých informací už některé vládní organizace používají kvantové klíče, jejich využití je však v dnešní době složité a drahé. Kvantově provázané fotony totiž ani v kompatibilních optických sítích neudrží provázanost více než sto kilometrů. Ve vývoji jsou proto kvantové opakovače, které dokážou udržet kvantové provázání u jednotlivých fotonů a dosáhnout tak na větší vzdálenost. Pracují však při teplotách blízkých absolutní nule, což je náročné na stavbu složitější sítě. Pro použití ve větším měřítku je tak nutné vyřešit tyto problémy s distribucí.

Stejně jako v minulosti lze očekávat, že na kvantové šifrování nejprve přejdou velké společnosti, obzvláště ty, které centrálně spravují více než miliardu uživatelů. A jednou se pravděpodobně dočkáme tohoto typu šifrování i mezi uživateli v rámci běžného spojení.

***

Absolutní zabezpečení
1 Dvojice kvantově provázaných fotonů je prostřednictvím satelitu2 poslána na dvě různá vzdálená místa. Je vytvořen kryptografický klíč, kterým disponují obě dvě strany. Jakýkoli pokus o prolomení3 tento klíč naruší.

Foto popis| Čip kvantového počítače D-Wave.
Foto popis| Kvantový počítač kanadské společnosti D-Wave.
Foto popis| Vadim Makarov z Univerzity ve Waterloo s fotonovým detektorem pro kvantovou komunikaci.

O autorovi| MICHAL ČERNÝ, michalcerny.media@seznam.cz S