V minulém díle jsme se zaměřili na detaily kvantové distribuce klíče. Dnes se podíváme na současný stav a blízkou budoucnost kvantových sítí a kvantové komunikace.

Přenos kvantové informace

Bez ohledu na účel, základem kvantové komunikace a kvantových sítí je přenos kvantové informace na ideálně neomezenou vzdálenost. V praxi je daná vzdálenost však omezená a to velice.

Jako nejlepší nosič kvantové informace na delší vzdálenosti se osvědčil foton, který ve větším měřítku je používán i klasickými sítěmi ať formou optických kabelů nebo bezdrátových spojení. Avšak, v našem případě je kvantová informace nesena jednotlivými fotony a tady, v ideálním případě, si nechceme připustit žádný útlum signálu, tedy ztratit nějaké fotony. To pak komplikuje reálné budování kvantových sítí.

V případě optických kabelů, se v současnosti dosahuje rozumných výsledků na vzdálenosti stovek kilometrů (až kolem 400 km) po speciálních optických trasách. V případě použití současné optické infrastruktury se bavíme o vzdálenostech kolem 50 kilometrů. Samozřejmě v experimentálním režimu.

V případě bezdrátového přenosu můžeme využít opět optických fotonů za pomocí laseru. V takovém případě je nejvýhodnější spojení země-satelit a pak zpět satelit-země na jiném místě z důvodu minimalizovat dráhu skrze atmosféru, která působí jako omezující prvek. Zde lze dosáhnout teoreticky libovolné lokace na Zem. To bylo experimentálně potvrzené za pomocí kvantového satelitu Micius mezi Čínou a Rakouskem. Nicméně poznamenejme, že dokud nebudeme mít kvantový opakovač, tak daným satelitům můžeme jenom důvěřovat, že nedělají něco, co by neměli z hlediska bezpečnosti.

Laboratorně se experimentuje i s fotony v mikrovlnné oblasti. To je však ještě náročnější úkol, protože mikrovlnný foton má nižší energii než třeba optický, a tak je mnohem obtížnější jej detekovat zvláště v prostředí se šumem. Na druhou stranu, mikrovlnný foton lépe prochází atmosférou.

Kvantový opakovač a další prvky kvantových sítí

V analogii s klasickými sítěmi by ideální bylo mít kvantové opakovače, kvantové routery či kvantové switche. Nicméně, pro tyto zařízení potřebujeme kvantovou obdobu paměti RAM, nazvěme jej QRAM. Existují zde návrhy i laboratorní experimenty na toto téma, avšak jsme stále daleko od reálného použití.

Důvod, proč je tak obtížně vyvinout kvantovou paměť, spočívá ve vlastnostech kvantových bitů, které, pro připomenutí, nelze kopírovat a pokud bychom jej chtěli změřit, tak by došlo k dekoherenci a tím pádem ke ztrátě kvantové informace, jednoduše řečeno. Dokud nebudeme mít kvantovou paměť, tak se musíme spokojit se spojení bod-bod (z hlediska bezpečnosti).

Také lze využít tzv. důvěryhodných opakovačů, tedy bez QRAM. Takové opakovače však mají omezené použití, typicky jen pro kvantovou distribuci klíče. V takovém případě sám opakovač pozná klíč, proto musí být důvěryhodný, že jej neposkytne jinam.

Kvantová distribuce klíče (QKD)

Kvantová distribuce klíče je jedna z kvantových technologií, která je již komercializovaná a dostupná na trhu. Pokud jde o konkrétní nabízená řešení, tak většina z nich jsou založená na protokolech třídy BB84, tedy bez kvantového provázání, které je náročnější pro realizaci.

V současnosti běží několik akademických sítí v USA pod hlavičkou agentury DARPA, dále v Ženevě, Tokyu, nebo Vídni či v Delftu. Největší síť však má v současnosti Čína s délkou přes 2000 km a více než s 32 důvěryhodnými opakovači mezi Pekingem a Šanghají. Čína také patří mezi největší investory do této technologie z důvodu dvojího užití, tzn. i pro vojenské účely.

Nyní se podívejme, kde se QKD používá již na komerční bázi:

• Quantum Xchange ve spolupráci s Toshiba vybudovali síť mezi Wall Streetem a kancelářemi bankovních institucí v New Jersey.
• V Tokyu pomocí QKD chrání přenos genetických dat mezi laboratoří a analytickým střediskem, realizováno firmou Toshiba.
• ID Quantique implementoval QKD pro vládu Ženevského kantonu pro potřeby voleb mezi centrálním datovým centrem a centrální volebním systémem.
• British Telecom upgradoval své 100G linky pro budoucí možnost nasazení QKD jako další úroveň zabezpečení.
• Podobně SK Telecom pracuje na implementaci QKD pro budoucí 5G sítě.

V současnosti také probíhají aktivity vedoucí ke standardizaci kvantové distribuci klíče, která je důležitá pro vzájemnou interoperabilitu zařízení od různých výrobců. Tato aktivita běží například v EU v rámci organizace ETSI.

Na druhou stranu je potřeba říci, že QKD není tzv. „killer“ aplikace, která by změnila současný stav. QKD řešení je v současnosti stále poměrně těžkopádné a existují dostatečně bezpečné klasické alternativy pro bezpečnou komunikaci.

Kvantový generátor náhodných čísel

Kvantový generátor náhodných čísel představujeme v této sekci, protože se jedná o klíčový prvek při budování QKD sítě s protokoly třídy BB84. Zde je nutné říci, že kvantový generátor náhodných čísel generuje skutečně náhodná čísla oproti současným, které jsou v drtivé většině pseudo-náhodné i když s dobrými parametry.

Kvantový generátor náhodných čísel má ve svém portfoliu již několik společností, ale zatím se mimo QKD moc neuplatňují. Jedním ze známých uplatnění mimo QKD je případ implementace jednou loterní společností.

V blízké budoucnosti můžeme čekat zásadní miniaturizaci na úroveň malých čipů, které jsou použity například v mobilních telefonech Samsung Galaxy A Quantum s čipem od ID Quantique.

Datový tok

Další slabinou kvantových sítí, která brání většímu nasazení je datový tok. Zatím nemáme zdroje jednotlivých fotonů, které by generovaly velké množství fotonů v daném stavu na vyžádání nebo dokonce kvantově propojené.

Z toho důvodu je zatím nejvýhodnější aplikace QKD, kde v podstatě přeneseme jenom klíč, který není nutně datově náročný a pak samotná objemná šifrovaná data pošleme přes klasické sítě, které mají dnes až terabitovou propustnost.

Kvantový Internet

Kvantový Internet je pojem zastřešující kvantové komunikace, sítě, QKD a další aplikace. Zatím je nejdále část s kvantovou distribucí klíče, ale pracuje se i na dalších oblastech. Jedním z vedoudích organizací je QuTech a nově pak evropská Quantum Internet Alliance.

Do budoucna lze očekávat, že kvantové sítě budou fungovat hlavně jako propojení mezi více kvantovými cloudovými platformami pro jednoduchý přenost kvantových dat mezi nimi. Ale jsou zde i další pionýrské aplikace, jako protokoly pro spolehlivou autentizaci či verifikaci polohy. A další zajímavé protokoly se mohou ještě objevit.

Více informací o kvantovém internetu najdete např. v Science.