Po svém prvním článku o kvantových počítačích nyní zkoumám a pokouším se vysvětlit stejně fantastický a náročný svět kvantových sítí. S kvantovým počítáním přicházejí kvantové sítě a nejlepší technologií, kterou pro to máme, je vláknová optika. I když se kvantové počítače blíží absolutní magii, stále potřebují ke komunikaci sítě a z velké části se nedíváme na měď. Vláknová optika je věc, ale vysílat malé malé fotony samy o sobě je zvláštní výzvou. A i když budoucnost vypadá kvantitativně, můžete se vsadit, že stále bude spousta starých technologií fungovat paralelně po léta, takže zajistit, aby všechny mohly koexistovat a zůstat v bezpečí, bude pro systémové správce jednou z větších výzev.
Internet, jak ho známe
Jako teenager jsem já a někteří moji přátelé odjeli do USA jako výměnní studenti. I když jsme si zlepšili své znalosti angličtiny, také jsme si všimli výhodnosti možnosti mezi sebou soukromě komunikovat přechodem na náš rodný jazyk, švédštinu. Na veřejných místech bychom mohli mluvit všemožnými nesmysly a nikdo by tomu nerozuměl. To bylo, dokud se na nás jednoho dne nepodívala starší paní přísnýma očima a řekla nám perfektní švédštinou, že bychom se za sebe měli stydět a dbát na svůj jazyk. Zčervenali jsme a cítili jsme se opravdu velmi hloupě, zamumlali jsme své omluvy a vydali se na rychlý odchod.
Internet je podobný v tom, že většinu času můžeme mít soukromé a bezpečné konverzace; vždy však existuje riziko, že bude tato komunikace zachycena. Informace mohou být odcizeny nebo zkresleny, takže existuje mnoho dobrých důvodů, proč bezpečnostní týmy každému dýchají na krk při jakémkoli náznaku zranitelnosti, zvláště pokud náhodou pracujete s vysoce profilovanými nebo vysoce hodnotnými informacemi.
Internet, jak ho známe, je plný bezpečnostních protokolů a šifrovacích algoritmů, které chrání naše konverzace a všechna data, která generujeme. Ale se zlými silami na svobodě existuje neustálé riziko, že se jim podaří dešifrovat, ukrást, kopírovat, falšovat nebo jinak proniknout do našich cenných informací. Pokud jej nedokážou prolomit, mohou jej zablokovat vypuštěním všech druhů kreativního malwaru a útoků, které zaplaví komunikační spojení.
Kvantové počítače komunikují odlišně.
[ Čtenářům se také líbilo: Spuštění rychlého skenování NMAP pro inventarizaci mé sítě ]
Kvantová propletená síť
Kvantové zapletení je, když jsou dvě spojené částice umístěny na různých místech, kde jednu část má odesílatel a druhou část příjemce. Zapletené částice současně zaujmou opačnou polohu než druhá zapletená částice. Tímto způsobem okamžitě víte, co dělá druhá strana, a zvláštní na tom je, že v této fázi neexistuje žádná komunikace, kterou byste mohli zachytit.
Na univerzitě v Bristolu vytvořil tým mezinárodních vědců kvantovou síť, která po rozšíření má „potenciál sloužit milionům uživatelů“. To zní velmi ambiciózně a je to docela velký problém, protože až do teď (kdy byl napsán tento článek) se kvantové propletené sítě většinou skládaly pouze ze dvou uzlů. Rozšířit je o více uzlů není snadné, protože vyžaduje velké množství drahých komponent, které zase vyžadují značnou finanční podporu. Bristolský tým vytvořil kvantovou síť s osmi uzly a osmi přijímačovými boxy.
Vzhledem k tomu, že předchozí metody by potřebovaly 56 boxů pro péči o osm uzlů, jde o obrovský průlom. Také skutečnost, že používají stávající technologii, je ještě lepší, ale výzvou je stále vzdálenost, ke které se dostanu později.
Ahoj, sbohem, měď
Informace v kvantové síti lze přenášet pomocí optických vláken, a to je samozřejmě velmi dobré, protože je toho kolem hodně a další se rozšiřují. Fotony v kvantovém stavu, které se pohybují podél vláknové optiky, jsou velmi citlivé na interferenci, což znamená, že se kvantový stav snadno ztratí. Fotony jsou tak malé a slabé, že po určité vzdálenosti jsou absorbovány do kabelu z optických vláken. Existuje mnoho výzkumů, jak se s touto výzvou vypořádat, a dochází k pokroku, ale zatím pouze při teplotách kolem absolutní nuly.
Není náročný na energii
Už jsem psal o kvantových počítačích a řekl jsem, že jsou velké, objemné a spotřebovávají spoustu energie. Jde o to, že energie je potřebná k vytvoření zvláštních okolností nezbytných pro nastartování kvantové fyziky. To zahrnuje věci jako vakuum, teploty blízké absolutní nule a prostředí, které je absolutně bez rušení. Skutečné fotony a elektrony, které „dělají kvanta“, potřebují nepatrné množství energie, takže jakmile bude kvantový stav spolehlivě fungovat při pokojových teplotách, můžeme vidět mnohem menší počítače, které potřebují velmi málo energie.
Kvantové opakovače
Jak již bylo zmíněno, současné sítě z optických vláken mají nepříjemnou schopnost absorbovat přenášené fotony, a to se děje během pouhých několika kilometrů. Jádrem je, že kvantové zapletení je velmi křehký stav a je těžké jej udržet. I sebemenší narušení nebo interakce mezi jedním z fotonů a čímkoli, co je kolem něj, přeruší spojení – vstoupí do opakovačů. Současné opakovače však mají omezení a zranitelnosti a jejich údržba se stává složitou, jakmile začnete s rozšiřováním.
Předávání štafety
Kvantový opakovač bude měřit kvantové vlastnosti přicházejících fotonů. Opakovač pak přenese kvantové vlastnosti na nové fotony a odešle je na další větev. Vzhledem k tomu, že by mohlo být snadno 100 000 fotonů za sekundu, bude opakovač rušným místem.
Tento přenosový proces umožňuje šířit zapletení na mnohem delší vzdálenosti, ale v mém jednoduchém světě mě jen zajímá, jak můžeme zajistit, aby byly přeneseny správné kvantové vlastnosti. Možná je to tříděno podle kvantového provázání, kde příjemce již ví, co může očekávat.
Pokud to uvedeme do měřítka, budeme potřebovat seriózní monitorování; nejen sledovat chyby, ale také je opravovat. Oblast matematiky věnující se kvantové fyzice a jejím zvláštnostem jde neustále dopředu. Ve skutečnosti došlo k takovému pokroku, že musím přestat číst výzkumné práce, jinak tento článek nikdy nedokončím. Tak rychle se věci v této oblasti pohybují.
Kvantová na dálku
Vědecký tým z Yokohamské národní univerzity vyvinul nový způsob propletení fotonů a podařilo se mu poslat tyto fotony na vzdálenost více než 10 kilometrů přes optické vlákno. Použili také jeden opakovač a dosáhli tak celkové vzdálenosti 20 kilometrů.
V době psaní tohoto článku byla nejvzdálenější vzdálenost, kterou se komukoli podařilo udržet kvantové zapletení, 83,7 kilometrů, čehož letos dosáhli vědci z Argonne National Laboratory amerického ministerstva energetiky a University of Chicago. Ale jsem si jistý, že v blízké budoucnosti uvidíme, že tento rekord bude mnohokrát překonán.
Uchování tajemství
Qubity, které jsou přenášeny přes kvantovou síť, mají velmi specifickou a jedinečnou charakteristiku zvanou „efekt pozorovatele“, což znamená, že je nelze přerušit, a to je součást toho, jak funguje kvantová mechanika. Efekt pozorovatele znamená, že jakýkoli pokus o sledování fotonů, jak se pohybují po síti, by je nejen pozměnil, ale ve skutečnosti by je zničil.
To znamená, že zamýšlený příjemce bude okamžitě vědět, zda došlo k pokusům o odposlouchávání na cestě. *V současné době neexistuje žádný způsob, jak tento jev obejít, protože je to přirozená vlastnost kvantové mechaniky – takže není žádným překvapením, že se o to zjevně zajímají vlády, lékařské společnosti a finanční instituce.
*Vzhledem k tomu, že výzkum v této oblasti postupuje tak fantastickou rychlostí, nebyl bych překvapen, kdyby vědci přišli na způsob, jak obejít tuto inherentní vlastnost, než si toto přečtete.
Šifrované kvantové sítě
Takže, jak bezpečné můžete být? Očividně nestačí. Oblast kvantové kryptografie zažívá boom a pomocí technologie kvantové distribuce klíčů (QKD) je možné šifrovat a dešifrovat informace mezi odesílatelem a příjemcem. Qubity lze číst, až když dorazí na místo určení, a vy máte správný kvantový klíč k jejich odemknutí, takže už žádné odposlouchávání.
Kvantové uzly v prostoru?
Nyní víme, že kvantová fyzika funguje nejlépe bez jakéhokoli rušení, ve vakuu, kde je velmi chladno, a proto jsou některé části vesmíru blízko Země velmi vhodné. Síla, kterou kvantové počítače zde na Zemi potřebují, jde většinou o vytvoření speciálních podmínek, které vesmír nabízí v hojnosti. Samotný qubit potřebuje ke svému provozu naprosto mizivý výkon, takže vědci hledají možnost, jak mít kvantové počítače v satelitech propletené mezi sebou, což by umožnilo posílat problémy ze Země, zpracovávat je ve vesmíru a poté vracet odpověď/y. k zemi. Satelity by posílaly propletené fotony zpět na Zemi – jak skvělé to je.
To nejsem úplně mimo – nápad ve skutečnosti pochází od vědců z Louisianské státní univerzity v Baton Rouge. A mimochodem, kvantová provázanost ve vesmíru již byla úspěšně testována – v roce 2017.
Více tím lépe
Hummingbird, Eagle, Osprey a Condor – to jsou názvy procesorů s rostoucím počtem qubitů od společnosti Big Blue (IBM), která je na cestě ke kvantovému počítači s jedním milionem qubitů, jehož spuštění je plánováno na rok 2030. překvapilo mě, že v září 2020 IBM vydala svůj nový 65-qubitový procesor Quantum Hummingbird, ale pouze pro členy IBM Q Network. Ať tak či onak, více o jejich plánu si můžete přečíst zde.
Qubits v perspektivě
Dnešní počítače pracují s bity. Jeden bit může být nula nebo jedna. Ekvivalent v kvantových počítačích se nazývá „qubit“ a může mít hodnotu nuly i jedničky současně, včetně všeho mezi tím. Díky tomu je kvantový počítač lepší v tom smyslu, že nepotřebuje příliš mnoho qubitů, aby předběhl superpočítače, které máme dnes. Nyní si představte výkon jednoho milionu qubitových počítačů.
Máme-li mít mega kvantové počítače za pouhých 10 let (nebo méně), potřebujeme k tomu seriózní optické sítě a velmi chytré síťové komponenty. Podíváme-li se na tempo vývoje v této oblasti, budeme potřebovat spoustu nových technologií, které teprve budou vynalezeny. Věřím, že jsme na pokraji technologického superskoku, který bude mnohem větší a dramatičtější než cokoli, co jsme dosud zažili.
Zvědavě sleduji společnosti vstupující na tento rozvíjející se trh. Vedou; kdo bude následovat?
Kvantová slabost
Ve své kariéře jsem slyšel prohlášení o technologiích jako „100% bezpečné“ nebo „toto je absolutní limit“, jen abych je viděl prolomit dalších šest měsíců. „Jak dosáhnout bezpodmínečné bezpečnosti sítě díky kvantové mechanice“ je pravděpodobně stejně chabá myšlenka. O hrozbách na kvantovém internetu pojednává tento dokument, který vytvořili Takahiko Satoh, Shota Nagayama, Shigeya Suzuki, Takaaki Matsuo a Rodney Van Meter. Zaměřují se na architekturu kvantového opakovače a tvrdí, že jelikož opakovač obsahuje klasický výpočetní hardware, jsou možné útoky velmi podobné útokům na klasické systémy.
Vzhledem k tomu, že útoky se obvykle nezaměřují na nejsilnější místa – což jsou specifika kvantové mechaniky – lze rozumně očekávat útoky na nejslabší místa, což nevyhnutelně budou klasické síťové komponenty.
[ Vymklo se vám síť kontrole? Podívejte se na Automatizaci sítě pro každého, bezplatnou knihu od Red Hat. ]
Koneckonců
S kvantovými počítači přicházejí kvantové sítě a nejlepší současná technologie, kterou pro to máme, je vláknová optika. Qubity nesoucí fotony v kvantovém stavu jsou přenášeny po síti a díky povaze kvantové mechaniky a „efektu pozorovatele“ nemůže být kvantový stav během transportu zachycen. Opakovače však mohou být slabé – nezbytná součást, pokud má být dosaženo jakékoli vzdálenosti.
Některá technologie musí být ještě vyvinuta a existuje spousta výzev, ale s obrovským finančním zájmem o „zabezpečený internet“ mají výzkumníci všechny finance, které potřebují. Ohromný pokrok v této oblasti je zřejmý, když se podíváte na obrovské množství vědeckých prací, které jsou publikovány.
Pokud se to dá postavit, dá se to rozbít. Debata o bezpečnosti a šifrování je živá a nečekal bych, že temné síly budou nečinně čekat, až kvantová technologie dospěje.
Kvantové počítače a sítě už tu jsou a během pár let budou komerčně dostupné. Budete do té doby připraveni?