Zavítali sme do Národného centra pre kvantové technológie QUTE.sk.
Koordinátor projektu skQCI Djeylan Aktas predstavuje prístroj na šifrovanie kvantovej informácie. Zdroj: Martin Bystriansky/SAV
Pri príležitosti tlačovej konferencie k budovaniu kvantovej komunikačnej infraštruktúry na Slovensku sprístupnili v pavilóne Národného centra pre kvantové technológie QUTE.sk laboratórium kvantových technológií. Neváhali sme a nahliadli sme doň.
Pavilónom nás previedol koordinátor projektu skQCI (Slovenská kvantová komunikačná infraštruktúra) Djeylan Aktas.
Prístroj na šifrovanie kvantovej informácie. Zdroj: Martin Bystriansky/SAV
Na obrázku vidíte prístroj určený na šifrovanie kvantovej informácie, umiestnený na prízemí pavilónu Národného centra pre kvantové technológie QUTE.sk.
Na kvantovú distribúciu šifrovacieho kľúča treba najskôr vyrobiť etablovaný pár fotónov. V prvom kroku sa napumpuje laser do nelineárneho kryštálu, ktorý sa nachádza v trubičke na prístroji na šifrovanie kvantovej informácie. Odtiaľ následne vyletia dva fotóny rôznej vlnovej dĺžky, ktoré sa potom zbierajú do optických vlákien (čím dlhšie tieto vlákna sú, tým menší počet fotónov nimi prejde) a distribuujú sa k takzvanej Alici a Bobovi (častiam prístroja na šifrovanie kvantovej informácie, ktoré vystupujú ako fiktívne postavy a vyrábajú šifrovacie kľúče).
Alica aj Bob majú svoje moduly, odkiaľ vychádzajú fotóny z optických vlákien. Následne sa mení ich polarizácia a pokračujú do detektorov, umiestnených v oddelenej miestnosti na druhom poschodí pavilónu QUTE.sk (na obrázku nižšie).
Detektor na šifrovanie kvantovej informácie. Zdroj: Martin Bystriansky/SAV
Na slovíčko s Vladimírom Bužekom
O tom, čo všetko si možno predstaviť pod dnešnými kvantovými technológiami, akú majú perspektívu a nakoľko sú chybové, sme sa zhovárali so zakladateľom Národného centra pre výskum kvantovej informácie Fyzikálneho ústavu SAV, v. v. i., Vladimírom Bužekom.
Od kvantových efektov z 20. rokov minulého storočia, ktoré vyvrcholili vynálezom lasera či tranzistorov, prešlo veľa času, a súčasné kvantové technológie sa od nich už veľmi líšia.
Druhá kvantová revolúcia, pod ktorú spadajú súčasné kvantové technológie, je o tom, ako sa naučiť manipulovať s individuálnymi kvantovými systémami. Ide o to, ako uchytiť jeden atóm či ión. Dnes dokážeme kódovať informáciu do jedného fotónu, ktorý sme potom schopní odmerať. Vieme dokonca určiť niektoré jeho vlastnosti a to, v akom stave sa nachádza. To je podstata druhej kvantovej revolúcie.
Erwin Schrödinger ešte v roku 1952 písal, že nie je možné, aby fyzici dokázali manipulovať s individuálnymi kvantovými objektmi. O 60 rokov neskôr, v roku 2012, dostali Serge Haroche a David J. Wineland za manipuláciu s individuálnymi kvantovými objektmi Nobelovu cenu. V priebehu šiestich dekád sa to veľmi posunulo a dnes sa už bavíme o individuálnych kvantových systémoch.
Čo všetko individuálne kvantové systémy umožňujú?
Možno sa to niekomu bude zdať triviálne, ale v súčasnosti už vieme uloviť jeden konkrétny ión v pasci a manipulovať jeho stavom alebo ich máme niekoľko v lineárnom reťazci či lineárnom kryštáli, môžeme ich schladiť a pozorovať, ako kolektív jednotlivých iónov osciluje v kvantovom režime, čiže má kvantový pohyb. Vieme tiež komunikovať medzi jednotlivými iónmi a vonkajšími laserovými zväzkami a dokážeme určovať ich vnútorné stavy – to je niečo, čo bolo dosiaľ nepredstaviteľné. To, čo teraz hovorím, sa však odohráva v malom procesore. V prípade veľkých vzdialeností nám môže takáto technológia poslúžiť najmä na komunikáciu – tú sa teraz snažíme implementovať.
Vývoj takýchto technológií si vyžaduje čas, no aj tak sa mi ten progres vidí veľmi rýchly. Keď si predstavíte, kde sme boli pred tridsiatimi rokmi…
Áno, vtedy súčasná kvantová technológia len vznikala, pred tridsiatimi rokmi sme z dnešného pohľadu komunikovali ešte relatívne primitívnym spôsobom, ale mali sme predstavu. Potom prišiel World Wide Web, dnes máme hypertextové webové stránky a snažíme sa vytvoriť kvantovú komunikačnú infraštruktúru, ktorá bude slúžiť predovšetkým na zvýšenie bezpečnosti. Prirodzeným klientom je napríklad bankový sektor. Už teraz by sme vedeli pre banku postaviť do dátového centra bezpečnú sieť na prenos informácií, aby mala bezpečne prenesené kryptografické kľúče. To je taká najtriviálnejšia aplikácia.
Existujú aj aplikácie, ktoré na Slovensku nevyvíjame, napríklad takzvané akcelerometre alebo gravimetre. Tie majú vďaka kvantovej koherencii ohromnú citlivosť – až takú vysokú, že dokážu detegovať aj zmeny v zložení pod povrchom Zeme.
A ďalšou aplikáciou, ktorá je momentálne už v predaji a výborne zarába, je kvantový generátor náhodných čísel. Môžete si ho aj zakúpiť, je to relatívne lacné. Na Malte, kde majú veľa kasín, ho používajú na každom kroku. Mať náhodné číslo je perfektný biznis, hoci sa to nezdá.
Na tomto mieste sa žiada povedať, že nové aplikácie na báze kvantových technológií sa neustále hľadajú. Keď vynašli tranzistor, tiež im hneď nebolo jasné, na čo presne sa bude dať používať. Netušili, či ho budú schopní prevádzkovať pri izbových teplotách a v ďalších podmienkach reálneho sveta. Až potom hľadali aplikácie, v ktorých ho budú môcť použiť. A tak je to aj s modernými kvantovými technológiami.
Pokiaľ hovoríme o zabezpečení dát, budú kvantové technológie, ktoré by mali slúžiť primárne na tento účel, dostupné v dohľadnom čase aj bežnému používateľovi?
Na počiatku je to bizarne drahé, jeden detektor stojí asi 200-tisíc eur. Rovnako drahé boli kedysi aj tranzistory a počítače, dnes už máte počítač v telefóne. Časom bude určite kvantové zabezpečenie dát dostupné i bežnému užívateľovi, o tom vôbec nepochybujem. Keď sme boli ešte pred pandémiou s kolegami v Číne, hovorili nám, že majú predstavu, že by do akejsi kvantovej pamäte mobilných telefónov mohli ukladať kvantové previazanie na bezpečnú komunikáciu. Z pohľadu dnešnej fyziky a toho, čo vieme, je to skoro absurdné, no skôr či neskôr k tomu príde.
Priblížte nám ešte, prosím, v krátkosti rozdiel medzi bitom a qubitom. Ako to, že je qubit rýchlejší, keď pracuje s celým spektrom jednotiek medzi 0 a 1?
Rozdiel spočíva v kvantovej superpozícii. Bit je logická jednotka, binárna opozícia 0-1 a kvantový bit qubit superpozícia – je súčasne nulou a jednotkou, súčasne živý a mŕtvy, súčasne studený a horúci. Táto súčasnosť otvára úplne nový priestor na spracovanie informácie. Prestavte si, že máte guľu. Severný a južný pól je jednotka a nula a každý ďalší bod na guli je stav kvantového bitu (qubitu). A teraz sa zamyslite. Koľko bitov potrebujete na popísanie pozície na guli? No predsa nekonečne veľa. To znamená, že jeden qubit má v sebe nekonečne veľa klasickej informácie. Kvantová superpozícia je neuveriteľná vec, pretože môže byť v navzájom vylučujúcich sa stavoch súčasne.
Niektoré dostupné články narážajú však na relatívne vysokú chybovosť kvantových technológií. Aká je v skutočnosti? Dokážete nájdené chyby prípadne i opraviť?
Kvantová mechanika je štatistická teória, čo znamená, že narába do veľkej miery s pravdepodobnosťami – inými slovami, s tým, čo neviem predpovedať – a chyba je to, čo predpovedať nevieme. To je taký môj filozofický komentár. Konkrétne detektory nie sú stopercentné, nemajú stopercentnú účinnosť, chyby sa teda vyskytnú. Najlepšie detektory majú účinnosť okolo 90 percent, čo znamená, že s pravdepodobnosťou 90 percent zaregistrujem fotón, ktorý som očakával, že príde. Takú vysokú citlivosť nepotrebujeme, chceli by sme sa priblížiť aspoň k 70 percentám. Chybovosť teda síce prítomná je, no existujú aj rôzne error-protected kódy na opravu chýb. Celkovo existuje veľa možností, ako vylučovať chyby.
Projekt Slovenská kvantová komunikačná infraštruktúra (skQCI) bol odštartovaný v januári 2023. Jeho hlavným cieľom je vybudovanie kvantovej komunikačnej infraštruktúry, ktorá prepojí 12 slovenských akademických inštitúcií od Bratislavy po Košice a vytvorí predpoklady pre prepojenie s okolitými krajinami, prípadne pre kvantový prenos šifrovacích kľúčov pomocou satelitov. Fyzikálny ústav SAV, v. v. i., ako hlavný koordinátor projektu plánuje v priebehu najbližších troch rokov vybudovať južnú a severnú vetvu slovenskej kvantovej komunikačnej vrstvy.
Na projekte skQCI úzko spolupracuje tím z Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave a experti z Elektrotechnického ústavu SAV, v. v. i., Ústavu experimentálnej fyziky SAV, v. v. i., a Medzinárodného laserového centra CVTI SR. Cieľom spolupracujúcich inštitúcií je vytvoriť prototyp vysokoúčinného detektora fotónov, ktorý bude testovaný na vytvorenej komunikačnej infraštruktúre so širokým spektrom využitia prakticky v každej oblasti kvantových technológií.
Zdroje: TS SAV, rozhovor s prof. RNDr. Vladimírom Bužekom, DrSc.
