Internetul cuantic reprezinta o noua paradigma care ar putea revolutiona comunicarea, universul calculatoarelor si descoperirea stiintifica, cercetarea in moduri pe care nu ni le putem imagina inca. Diferit de internetul pe care il cunoastem si folosim deja, internetul cuantic promite sa aduca schimbari majore in toate domeniile importante si vine la pachet cu foarte multe beneficii atat pentru oamenii obisnuiti, cat si pentru companii sau guverne, domenii esentiale pentru societate.
Termenul „Internet Cuantic” a devenit mai proeminent la sfarsitul anilor 1990 si inceputul anilor 2000, pe masura ce cercetatorii au inceput sa abordeze provocarea comunicarii cuantice pe distante lungi apeland la concepte moderne precum repetitoarele cuantice.
Internetul cuantic este reteaua de comunicare de generatie viitoare, bazata pe principiile mecanii cuantice, care nu va inlocui nicidecum internetul asa cum il stim astazi, ci il va completa si imbunatati, oferind o securitate exceptional de buna. Cuvantul „cuantic” indica legatura directa cu fenomenele fizice precum superpozitia si entanglement-ul (incurcarea cuantica), care stau la baza acestei nou tip de retea.
Quantum bits (qubits) pot exista in stari de superpozitie, permitand o codificare a informatiei mai complexa, in timp ce incurcarea (entanglement) creeaza stari cuantice corelate intre particule distante. Asa se va detecta orice fel de incercare de masurare sau interceptare neautorizata, asta pentru ca starile cuantice sunt fundamental alterate atunci cand sunt observate.
Internetul cuantic e inca la inceput, insa prototipuri la care se lucreaza si care folosesc fibra optica sau satelitii se testeaza activ in toata lumea. Din testele deja facute la nivel empiric se constata faptul ca internetul cuantic poate functiona ca o retea de computere cuantice care pot trimite, calcula, procesa, primi informatii codate in stari cuantice.
Ce va aduce nou internetul cuantic va fi criptografia cuantica sau cloud computing cuantic, dar si o distributie a cheilor cuantice care e deja in uz. Oamenii de stiinta sunt de parere ca retelele de mari dimensiuni bazate pe internetul cuantic vor fi disponibile in urmatorii 10-15 ani, in SUA cel putin, pentru inceput.
Ca sa intelegem mai bine acest concept foarte complicat de internet cuantic trebuie sa ne gandim cum functioneaza internetul „clasic”. Internetul clasic e bazat pe o transmitere de date folosindu-se bitii care exista ca secvente de 0 si 1, bazandu-se pe semnale electrice sau optice.
Internetul cuantic foloseste qubiti, care pot exista in superpozitii de 0 si 1, si leaga particule la distanta prin intermediul fenomenului de incurcare (entanglement), de unde si o transmitere cu un grad de securitate excelent. Spre deosebire de sistemele clasice, internetul cuantic se va axa pe securitate si pe mentinerea integritatii datelor, iar viteza si banda disponibila si alocata vor fi mereu pe locul secund.
Nevoia de a avea un internet cuantic a aparut natural, din nevoia de a limita si elimina problemele de comunicare si securitate din retele. Computerele cuantice devin tot mai puternice si pot „sparge” metodele de criptare RSA sau ECC, de exemplu, deci datele sensibile vor fi compromise mai usor. Asa a aparut si criptografia post-cuantica, noi algoritmi care vor rezista atacurilor cuantice.
Ea rezolva in parte alta mare problema cu internetul asa cum il stim astazi: datele transmise prin intermediul internetului clasic pot fi interceptate, copiate, alterate oricand, fara a se detecta vreo problema la prima vedere.
In sanatate, aparare, finantate, cercetare, guvernare internetul cuantic va fi de mare ajutor, pentru ca va garanta de la inceput securitatea sporita pentru orice fel de flux de date sau transmisii de date sensibile.
Prin intermediul internetului cuantic folosit in astfel de domenii importante securitatea nu va mai fi mereu un motiv de stres. Se va folosi QKD-ul, distributia cuantica de chei pentru criptare. QKD-ul are la baza mecanica cuantica pentru generarea si distribuirea de chei de criptare. Starea cuantica se schimba imediat daca se aplica modificari la aceste chei pe parcursul calatoriei lor, deci ambele parti, expeditor si destinatar, stiu ca s-a intamplat ceva.
QKD-ul a devenit si mai bun prin experimentarea si dezvoltare cu sistemele bazate pe sateliti. Satelitii echipati cu QKD au transmis deja chei de criptare pe distante de mii de kilometri, pavandu-se drumul spre o retetea cuantica sigura, internationala.
Care sunt limitarile internetului cuantic?
- Scalabilitatea-tot ce s-a putut face pana acum a fost la nivel micro. Incurcarea cuantica este foarte sensibila la zgomot si pierderi de date, deci retelele mari nu vor fi asa de extinse si de stabile. Ca sa ajungi sa ai un internet cuantic global ai nevoie de repeatere puternice, complexe, de sisteme mai robuste de qubiti si de protocoale de corectie a erorilor;
- Costurile-sa construiesti si sa mentii retele cuantice bazate pe internetul cuantic va implica costuri uriase. Nodurile cuantice se bazeaza pe sisteme criogenice, pe lasere foarte stabile, pe optica de precizie si totul costa foarte, foarte mult;
- Standardizarea-lipsa de standardizare de-a lungul protocoalelor de retele cuantice, interfetele, hardware care nu e accesibil inca, toate vor incetini progresul. Sistemele cuantice coezive nu vor aparea prea curand pentru ca tarile si companiile au deja viziuni diferite;
- Limitarile harware-avem hardware cuantic inca in faza de dezvoltare si cercetare, instabilitatea dispozitivelor e mare, capacitatea e limitata, viteza e mica. Pierderea de fotoni, decoerenta qubitilor si fragilitatea starilor cuantice „incurcate” (entangled) stau toate in calea construirii de retele solide;
- Software compatibil cu internetul cuantic si cu hardware cuantic-dezvoltarea de software care poate gestiona rutarea, sincronizarea si corectarea erorilor qubitilor in timp real este o provocare in sine, va dura pana sa ajungem la un asemenea nivel.
Experimente recente au demonstrat deja teleportarea cuantica via internet, in speta un cablu cu fibra optica de 30.2 km care putea sa sustina simultan 400Gbps date clasice sub forma de trafic constant. S-a demonstrat asa ca o comunicare cuantica poate coexista cu infrastructura internet existenta, simplificand implementarea (sau desfasurarea) retelelor cuantice.
China are si ea retea cuantica de sateliti, e de notat satelitul Micius, lansat in 2016 ca parte din proiectul Quantum Experiments at Space Scale (QUESS). Micius a putut asigura distributia de chei cuantice pe mai mult de 1.200 kilometri, pentru comunicatii foarte sigure intre statii de pe pamant. Acelasi Micius a permit QKD intercontinental intre China si Austria. China are deja planuri mari, sa lanseze sateliti aditionali in orbite medii si joace pana in 2027.
U.E. nu a stat degeaba nici ea si a venit cu initiativa EuroQCI, un sistem de comunicatii cuantice via European Quantum Communication Infrastructure (EuroQCI). EuroQCI isi propune sa integreze tehnologii cuantice in infrastructurile de comunicare existente, imbunatatind securitatea datelor sensibile si infrastructurile critice din toata Europa. S-a initiat si o colaborare cu European Space Agency (ESA) pentru a se dezvolta pe viitor o retea de comunicatii spatiala securizata cuantic, care utilizeaza DQC (Distributie Cuantica de Chei) pentru a detecta orice incercare de interceptare.
Inainte de aceste initiative si realizari, in 2017, cercetatori de la Universitatea de Stiinta si Tehnologie din China au folosit lasere pentru a transmite cu succes fotoni inseparabili (entangled) intre un satelit aflat pe orbita si statiile de la sol, la o distanta de peste 700 de mile sub pamant. Experimentul a aratat posibilitatea utilizarii satelitilor pentru a forma o parte dintr-o retea cuantica, dar sistemul a reusit sa recupereze doar un foton din fiecare 6 milioane — prea putini pentru a fi folositi pentru o comunicare de incredere.
Doi ani mai tarziu, oamenii de stiinta de la Laboratorul National Brookhaven, Universitatea Stony Brook si Reteaua de Stiinte Energetice (Energy Sciences Network) a Departamentului de Energie al Statelor Unite au realizat inseparabilitatea (entanglement) pe o distanta de peste 10 mile, folosind surse portabile de inseparabilitate cuantica si o retea de fibra optica. De atunci, experimentul lor a crescut si include o platforma de testare a retelei cuantice de 80 de mile.
In ianuarie 2020, cercetatorii de la Universitatea din Chicago si Laboratorul National Argonne au testat cu succes o bucla cuantica de 54 de mile, care utilizeaza un cablu de fibra optica existent ingropat sub suburbiile vestice ale orasului Chicago. Proiectul a demonstrat functionalitatea de baza necesara pentru o linie de retea cuantica, transmitand impulsuri optice cu o intarziere de numai 200 de milisecunde.
Nu mai devreme de iunie 2022, la reteaua din Chicago a fost adaugata o extensie de 35 de mile, facand-o una dintre cele mai lungi din natiune. Reteaua este compusa acum din sase noduri si 124 de mile de fibra optica — transmitand particule purtatoare de informatii codificate cuantic intre Laboratorul National Argonne al Departamentului de Energie al SUA din suburbia Lemont si doua cladiri din partea de sud a orasului Chicago, una in campusul UChicago si cealalta la sediul CQE din cartierul Hyde Park.
Reteaua extinsa din Chicago reprezinta un salt urias in ceea ce priveste scara retelelor cuantice si pune deja bazele unor sisteme interstatale si mai mari.
Si pana la urma ce poate face internetul cuantic pentru noi, in practica?
- Securizarea comunicarii;
- Retele de senzori-se imbunatateste precizia instrumentelor stiintifice folosite pentru a studia anumite fenomene. Aici discutam despre unde gravitationale de la gauri negre, microscopie si imagistica electromagnetica. Se vor detecta unde gravitationale, se vor crea retele de ceasuri atomice ultra-precise pentru navigatie si cercetare in fizica fundamentala, diagnosticele medicale vor fi mai precise;
- Scalarea la nivelul calculelor cuantice-computere cuantice individuale vor procesa informatia, de unde si o putere computationala mai mare decat orice fel de sistem cunoscut in prezent;
- Permiterea de simulari cuantice masive ale comportamentului molecular pentru descoperirea de medicamente si sustinerea experimentelor de fizica fundamentala care necesita interconectare cuantica (entanglement) pe distante vaste, cu permiterea colaborarii in timp real intre facilitatile de cercetare cuantica la nivel mondial;
- Asigurarea de canale de comunicare impenetrabile (imun la hacking) pentru tranzactiile financiare;
- Securizarea comunicatiilor guvernamentale si militare si protejarea sistemelor de control ale infrastructurii critice.
Cat despre viitor, internetul cuantic va permite generarea de algoritmi de inteligenta artificiala imbunatatiti cuantic, sustinerea de noi forme de baze de date cuantice distribuite, dar si crearea de sisteme de blockchain si criptomonede securizate cuantic.