Świat szykuje się na erę kwantów. Zbroi się przed nowymi zagrożeniami

W debacie publicznej o technologiach kwantowych najczęściej słyszy się w kontekście tajemniczych superkomputerów albo gigantycznych sum wydawanych na tę branżę. Natomiast rzadko rozmawia się o tym, czym właściwie są te technologie. Dlatego zaczniemy od podstaw.

– Na początku warto podkreślić, że świat, w którym żyjemy, nasza natura, jest rządzona prawami mechaniki kwantowej – podkreśla dr hab. Jakub Mielczarek, profesor Uniwersytetu Jagiellońskiego.

– Można powiedzieć, że jest takim kwantowym oceanem. Natomiast my żyjemy na jego powierzchni i dopiero zaczynamy zanurzać głowę. Potrafimy opisywać ten świat od 100 lat, dokładnie w 1925 roku Werner Heisenberg wprowadził tak zwaną współczesną teorię kwantów. Wtedy powstało teoretyczne przygotowanie dla zastosowań mechaniki kwantowej, ale jest ona tak trudna do kontroli, że dopiero teraz powoli zaczynamy wykorzystywać świat kwantowy – mówi dalej.

Profesor zaznacza, że klasyczna rewolucja informacyjna rozwinęła się w latach 50. i 60. – Klasyczna, bo oparta o standardowe jednostki informacyjne – bity. Ta rewolucja rozwinęła się dzięki zasadom mechaniki kwantowej. Bez niej nie wiedzielibyśmy jak działa tranzystor czy też laser. A to na nich opierają swe działanie mikroprocesory oraz systemy teleinformatyczne. Teraz wchodzimy w nowy obszar przetwarzania informacji, w którym występują kubity – wskazuje Mielczarek.

Czym są kubity i jak działają?

Czym właściwie są kubity? – Wyobraźmy sobie powierzchnię Ziemi. Bity pozwalają nam opisać jedynie jej bieguny – przyjmijmy, że północny ma wartość 0, południowy 1. Natomiast kubit może przyjmować dowolną współrzędną geograficzną. To różnica między informacją klasyczną i kwantową, czyli występuje nieskończenie wiele stanów pośrednich, które możemy wykorzystać – wyjaśnia nasz rozmówca.

– Jest to związane z tak zwaną superpozycją kwantową, którą możemy również przenieść na wiele kubitów. Jeśli mamy kilka kubitów, mogą występować w tak zwanych splątanych stanach kwantowych. Na przykład, komputer 64-bitowy przetwarza w danym momencie konkretny 64-znakowy ciąg zer i jedynek. Komputer 64-kubitowy obliczenia może przeprowadzać jednocześnie na wszystkich możliwych ciągach 64-bitowych, których liczba jest astronomiczna. Problem pojawia się wtedy, kiedy obliczenia kwantowe chcemy zinterpretować w klasycznym języku. Od lat 90. wiemy, że jest to możliwe, stanowi to jednak ogromne wyzwanie – zaznacza profesor.

– Dziś jeszcze nie jesteśmy w stanie wykorzystać własności obliczeń kwantowych w taki sposób, by dały realną przewagę nad obliczeniami klasycznymi. Jesteśmy u progu tej przewagi, w stanie ciągłej walki z szumem, który pojawia się w układach kwantowych, które są bardzo wrażliwe na wpływ z otoczenia. Żeby korzystać z obliczeń kwantowych potrzeba maksymalnie odizolować procesory kwantowe od wpływu świata zewnętrznego, co w praktyce wiąże się między innymi z ich schłodzeniem do temperatur bliskich zera bezwzględnego – mówi dalej Mielczarek.

Od razu nasuwa się pytanie kiedy układy kwantowe dadzą przewagę nad klasycznymi obliczeniami?

– Współczesna rewolucja kwantowa nabrała tempa około 10 lat temu. Wtedy dostępne stały się pierwsze kilkukubitowe komputery kwantowe. W 2025 roku jesteśmy w stanie korzystać z 20-30 wysokiej jakości kubitów. Z jednej strony to ogromny postęp, z drugiej wciąż za mało, by na poważnie myśleć o zastosowaniach komputerów kwantowych – wyjaśnia nasz rozmówca.

– Poważniejsze zastosowania zaczynają się od około 50 wysokiej jakości kubitów. Przy 100 możemy zacząć symulować złożone molekuły czy też inne kwantowe układy fizyczne, co otwiera nowe ścieżki badawcze i rozwojowe, które pozostałby nieosiągalne z pomocą komputerów klasycznych – tłumaczy dalej.

Komputery kwantowe złamią szyfry? Zagrożenie dla kryptografii

W książkach i filmach science fiction często pojawia się wątek komputerów kwantowych jako broni wykorzystywanej przez hakerów do niszczenia zabezpieczeń, łamania kodów i zdobywania w ten sposób pieniędzy i władzy. Taki scenariusz jest możliwy?

– By myśleć o zastosowaniach kryptoanalitycznych, w szczególności w zastosowaniu do algorytmów asymetrycznych, między innymi w ramach kryptografii krzywych eliptycznych, potrzebujemy przynajmniej kilku tysięcy kubitów wysokiej jakości, które nadają się do wykonywania długotrwałych obliczeń kwantowych. Stworzenie takiego komputera kwantowego to dzisiaj skala trudna do wyobrażenia. To nie znaczy, że nigdy nie dojdziemy do tego etapu, ale raczej nie powinniśmy oczekiwać, że wydarzy się to w perspektywie 20 lat, prawdopodobnie potrwa to znacznie dłużej – odpowiada profesor.

Dodaje jednak, że już dziś trzeba do sprawy podchodzić odpowiedzialnie.

– Analizy bezpieczeństwa wskazują, że komputery kwantowe stanowią potencjalne zagrożenie dla algorytmów kryptograficznych stosowanych obecnie. Dlatego na świecie podejmowane są działania, które mają nas uchronić przed ich przyszłym zastosowaniem. Jesteśmy w trakcie wdrażania nowych standardów kryptograficznych, tak zwanej kryptografii postkwantowej, którą można implementować na zwykłych komputerach, smartfonach, smartwatchach, czymkolwiek, co wykonuje odpowiednio sprawnie obliczenia klasyczne – mówi Interii.

– To tworzenie odpowiednio silnych zabezpieczeń, które za 50 lat mają sprostać atakom z wykorzystaniem komputerów kwantowych – dodaje naukowiec.

Czyli świat zbroi się, buduje pancerz przed technologią, której jeszcze nie ma? – dopytujemy.

– Dokładnie tak. W ubiegłym roku amerykański Narodowy Instytut Standardów i Technologii (NIST) ogłosił pierwsze standardy dla kryptografii postkwantowej z wytycznymi do 2030 roku. To domena w szczególności administracji amerykańskiej, w ślad za nią amerykańskich firm, ale podobne wytyczne pojawiły się również w Unii Europejskiej. Chodzi o to, by do 2030 roku dokonać migracji systemów podwyższonego ryzyka do standardów kryptografii postkwantowej, odpornych na potencjalne ataki w przyszłości – wylicza nasz rozmówca.

– Chronimy przede wszystkim informacje o długim czasie życia, które w perspektywie kilkudziesięciu lat mogą być szczególnie interesujące dla naszych adwersarzy. Na przykład informacje bankowe, dokumentacja medyczna, wszystkie poufne informacje państwowe. Do ich ochrony musimy mieć wyśrubowane standardy bezpieczeństwa – podkreśla profesor Mielczarek.

Inwestycje w technologie kwantowe. Światowe potęgi wydają fortunę

W 2024 roku firma doradcza EY opublikowała raport, w którym pojawiła się między innymi informacja o światowych, rocznych wydatkach na technologie kwantowe. Liderem są Chiny, które przeznaczają na ten cel 15 miliardów dolarów. Drugie miejsce zajmuje Wielka Brytania z wynikiem 4,3 mld. Następne są Stany Zjednoczone, których program kwantowy jest rocznie wart 3,75 mld. W Unii Europejskiej najwięcej wydają Niemcy (3,3 mld), a sama Wspólnota ma program o wartości 1,1 mld dolarów. Na co konkretnie rządy wydają tak ogromne pieniądze?

– Wszystko zależy od strategii państwowej. Stany Zjednoczone koncentrują się na przetwarzaniu informacji kwantowej. To naturalny kierunek, spójny z wcześniejszym rozwojem branży komputerowej. Obecnie, najwięksi gracze w zakresie obliczeń kwantowych to podmioty z amerykańskim kapitałem – wyjaśnia profesor Mielczarek.

– Z kolei Chiny kładą nacisk na komunikację kwantową. Mają bardzo rozwinięty system sieci komunikacji kwantowej. Tutaj należy podkreślić, że technologie kwantowe to nie tylko komputery kwantowe. Istnieją dużo bardziej dojrzałe typy technologii kwantowych. O nich mniej się mówi, ale już dzisiaj przewyższają swoimi osiągami technologie klasyczne – mówi dalej.

Czym są te bardziej zaawansowane technologie?

– To sensoryka kwantowa, czyli wykonywanie bardzo czułych pomiarów wielkości fizycznych, na przykład pola elektromagnetycznego. To są rozwiązania podwójnego zastosowania. Można je wykorzystać w diagnostyce medycznej, można na polu walki, chociażby w krytycznych systemach rozpoznania sygnałowego, które mogą zapewnić przewagę podczas konfrontacji zbrojnej – tłumaczy profesor.

Polska w kwantowym wyścigu

Na koniec zastanówmy się, gdzie w kwantowym wyścigu jest Polska. W czerwcu rząd chwalił się uruchomieniem pierwszego komputera kwantowego PIAST-Q w Poznaniu. Nasz rozmówca dodaje, że powstaje kolejna maszyna tego typu.

– W tym momencie w Polsce budowany jest od podstaw komputer kwantowy. Oparty na pułapce jonowej, komputer MIKOK powstaje w kooperacji Politechniki Warszawskiej i między innymi Wojskowej Akademii Technicznej oraz firmy Sonovero R&D. W szczególności, system zarządzania tym komputerem to unikatowe, polskie rozwiązanie. To ważne, że takie projekty są realizowane w Polsce, bo mogą stanowić źródło nowatorskich i zaawansowanych technicznie produktów – podkreśla naukowiec.

Jakie możliwości dają polskie komputery kwantowe?

– Wykorzystanie takich komputerów kwantowych jak wspomniany z Poznania nie stanowi jeszcze przewagi nad obliczeniami klasycznymi, ale to element rozwoju wielu rozwiązań. To taki katalizator innowacji. Jesteśmy w stanie wokół komputerów kwantowych rozwijać bardzo wiele ciekawych projektów, które bezpośrednio są związane z obliczeniami kwantowymi, z algorytmiką, informatyką kwantową ale z drugiej strony rozwijamy bardzo zaawansowane technologie, które dotyczą chociażby pułapki jonowej, czy też systemów kalibracji, zarządzania, sztucznej inteligencji czy też redukcji błędów – wylicza profesor.

– Takie projekty to wehikuły, które pomogą Polsce podtrzymać wzrost gospodarczy. Skupiają uwagę, są ciekawymi wyzwaniami, sprawiają, że w Polsce pozostają utalentowani inżynierowie i naukowcy. Warto dodać, że technologie kwantowe są dziś obszarem dużej rywalizacji. Państwa i organizacje przykładają dużą uwagę, aby chronić wypracowane przez siebie rozwiązania, również w zakresie kierunków ich sprzedaży. Nie wszyscy chcą się nimi dzielić, ponieważ jako rozwiązania podwójnego zastosowania mogą stanowić o strategicznej przewadze zarówno w wymiarze gospodarczym jak i w wymiarze bezpieczeństwa – podkreśla dalej nasz rozmówca.

Zaznacza też, że w Polsce „nie wolno nam pozostać w tyle”.

– Odpuszczenie, spowodowałoby, że stracimy zrozumienie tego czym dysponują wiodący światowi gracze. Żeby dotrzymać kroku, konieczne jest rozwijanie własnych systemów, także we współpracy międzynarodowej. Należy podkreślić, że obecnie nasza baza intelektualna i sprzętowa w zakresie technologii kwantowych jest skupiona na uczelniach. Prywatnym firmom, z uwagi na wysokie koszty prowadzenia badań i rozwoju technologii kwantowych, trudno jest samodzielnie wejść do gry. Zbudowanie podstawowego laboratorium optyki kwantowej to koszt rzędu nawet dziesiątków milionów złotych, do tego potrzebni są wykwalifikowani specjaliści których pozyskanie również stanowi wyzwanie – tłumaczy Mielczarek.

– Oczywiście chcemy, żeby technologie kwantowe wyszły z uczelni i zaczęły funkcjonować swoim życiem jako rozwiązania komercyjne. Ale to musi odbywać się w ścisłej współpracy podmiotów gospodarczych z jednostkami naukowo-badawczym, prowadząc do obopólnej korzyści – wskazuje profesor.

– Niestety, często państwo ze swoimi zasobami niekoniecznie nadąża za rozwojem nowych technologii. To widać na przykładzie sztucznej inteligencji, gdzie możliwości wielkich korporacji są w zasadzie bezkonkurencyjne. Oczywiście są wyjątki. W Stanach Zjednoczonych znaczące nakłady na zaawansowane badania i technologie płyną chociażby przez resort obrony. W Polsce dopiero raczkujemy w tym obszarze i by państwo pozostało na froncie rozwoju rozwiązań kwantowych, musi oprzeć się o kooperację prywatno-publiczną – podsumowuje Jakub Mielczarek w rozmowie z Interią.

Chcesz porozmawiać z autorem? Napisz na jakub.krzywiecki@firma.interia.pl