V následujících čtyřech dílech se podíváme na pojem kvantových sítí či kvantový internet nebo kvantová kryptografie a co nám mohou nového přinést. Dle názvu bychom mohli usoudit, že se jedná pouze o přenos kvantových bitů. I to je samo o sobě velká výzva, zvláště na velké vzdálenosti. Avšak jsou zde i jiná použití, která pramení z kvantové podstaty.

Přenos kvantové informace

Kvantový bit může být přenesen nějakým kvantovým systémem, kde jako nejpříhodnější se jeví a je také nejpoužívanější jsou fotony. Práce s jednotlivými fotony je už poměrně dobře vyladěná a jejích použití jako nosič kvantové informace rovněž. Na druhou stranu mají fotony i své nevýhody. Prvně, pro jednodušší práci s fotony, používáme fotony v oblasti viditelného spektra nebo jemu blízké frekvence. Jejich nevýhodou je omezená střední vzdálenost než jej ztratíme – pohltí se v okolí a tím pádem ztratíme i danou kvantovou informaci.

Zde je potřeba zmínit dva odlišné způsoby transportu fotonů. Tím nejběžnějším jsou optické kabely. Dnešní svět je už poměrně hluboce protkán optickými vlákny díky tomu, že dokážou velkou rychlostí přenést velké množství klasických dat. Avšak, v tomto případě se jedná o pulsy skládající se z mnoha fotonů, takže ztráta pár fotonů po cestě nás moc netrápí. Což už není pravda v případě kde jednotlivá informace je nesena jednotlivým fotonem.

Možným řešením jsou tzv. opakovače. Zařízení, které přijme foton a vyšle nový se stejnou informací. Jednoduše řečeno, danou kvantovou informaci si musí uložit do kvantové paměti a z ní pak vytvořit foton nový. Problém je, že zatím nemáme opravdu funkční kvantové paměti. S tejný problém pak nastává i se směrovači, které by měli poslat foton do správného kabelu v případě větvící se sítě. Jen pro připomenutí, kvantovou informaci nemůžeme jednoduše zkopírovat a pak ji poslat dál.

Alternativou je pak bezdrátový přenos. Zde se většinou opět pracuje s optickými fotony. Takže se v atmosféře na větší vzdálenosti ztrácejí. V případě klasických bezdrátových sítí pracujeme s mikrovlnným pásmem, avšak mikrovlnný foton má mnohem menší energii než foto optický a naše současné technologie zatím na toto nejsou připravené. Nicméně možnou cestou je použití družic. Vzdálenost mezi pozemní stanicí a družicí a množství atmosféry mezi nimi je vcelku malé a tak pro tento směr spojení je možné použít i optické fotony.

Kvantová distribuce klíče

Dalším významným odvětvím kvantových sítí je kvantová distribuce klíčů (Quantum Key Distribution – QKD), která je jednou z mála kvantových technologií, která má už reálné komerční nasazení a úspěchy.

Jednoduše řečeno, problém je následující. Mějme tajnou informaci, kterou máme důkladně zašifrovanou. Tento zašifrovaný soubor pak pošleme příjemci přes normální internet a ničeho se nebojíme, protože bez znalosti hesla pro dešifrování nikdo dané silné šifrování nepřekoná. Problémem je, jak bezpečně dostaneme k příjemci dané heslo. V podstatě perfektní bezpečností záruky nám poskytuje technologie kvantové distribuce klíče.

Nelze říci, že by tato technologie byla neodposlouchávatelná. Její hlavní výhoda je, že pokud někdo odposlouchává, tak to jednoduše zjistíme a můžeme ihned změnit kanál, najít záškodníka nebo jednoduše přerušit spojení. Více o této technologii si povíme v příštím díle.

Další uplatnění

Díky své povaze jsou zde další možná uplatnění kvantových sítí. Jednou z nich je přenos dat pro výpočet do kvantového počítače pro kvantové počítání naslepo (viz Kvantový seriál – díl 4. – Kvantové počítače – Aplikace a použití), kde kvantová síť je jednou z podmínek.

Budoucí kvantový Internet nabídne i další zajímavé protokoly, které řeší konsenzusový problém, tedy problém kdy více prvků v síti se musí dohodnout, kdo bude tím vedoucím a kdo bude podřízeným. Normálně počet množství komunikace roste s počtem účastníků, nicméně kvantový protokol nabízí řešení problému s konstatním počtem qubitů nezávislým na počtu účastníků.

Pro kvantové sítě jsou vyvíjeny i další protokoly jako např. pro bezpečnou identifikaci, pro verifikaci pozice, kde budeme moci ověřit, kde se druhá osoba skutečně nachází, neméně důležitou technickým využitím bude pro distribuci přesného času v rámci sítě.

Závěrem

Kvantové sítě neboli kvantový internet je budoucí technologie, které značně navýší schopnosti Internetu. Teoreticky mnoho protokolů se již vyvíjí a další a další využití se objevují, nicméně v oblasti realizace je potřeba ještě mnnoho práce. Jsou zde oblasti, například komunkace bod-bod na krátké vzdálenosti, kde technologie je už hodně daleko, ale na delší vzdálenosti se nevyhneme použití kvantových pamětí, které ještě zatím nemáme v takovém stavu, aby šly řádně použít.