Mióta az emberiség feltalálta az internetet, azóta úgy tűnik, semmi sem elég. A hálózatok az elmúlt három évtizedben rohamos fejlődésen mentek keresztül, és a betárcsázós-modemes kapcsolattól eljutottunk a gyorsan és stabilan működő vezeték nélküli hálózatokig. 

Úgy tűnik azonban, hogy az internetkapcsolat sosem lehet elég gyors, erős és megbízható. A kutatók folyamatosan keresik azokat a megoldásokat, melyek a lehető legnagyobb adatátviteli sebességet a lehető legbiztonságosabb módon képesek garantálni.

Az elmúlt időszakban egyre többet hallani a kvantumkommunikációs hálózatok fejlesztéséről és azokról az előnyökről, melyek a kvantum-internetet a jelenleg alkalmazott megoldásokkal szemben forradalmivá teszik. 

De mi is a kvantum-internet, mikorra várható a széles körű elterjedése, és egyáltalán, ki fogja használni? Ebben a cikkben összegyűjtöttük azokat a legfontosabb dolgokat, melyeket a kvantumkommunikációs hálózatokról tudni érdemes.

Mi is pontosan a kvantum-internet, és miért várjuk annyira?

A kvantum-internet egy olyan hálózat, amely a kvantummechanika törvényein alapuló környezetben teszi lehetővé az információcserét. Az adatokat a hagyományos bináris kód helyett kvantumbitek (qubit) formájában közvetíti. Míg a hagyományos bitek a kétállású kapcsolókhoz hasonlóan működnek (azaz értékük 1 vagy 0 lehet), addig a kvantumbitek egyidőben két állapotban is lehetnek egyszerre, a „fel- és lekapcsolt” állapot között pedig számtalan más értéket felvehetnek.

A kvantumkommunikáció során használt kvantumbitek a hagyományos bájtokhoz képest nagyon eltérően működnek, ami azt jelenti, hogy nem használhatóak az általunk ismert és hétköznapokban használt adatok küldésére, mint például egy egyszerű e-mail. Egyelőre csak nagyon specifikus számítások elvégzésére képesek, szigorúan szabályozott körülmények között. 

Ez a tudományos világ berkein kívül elsőre talán megfoghatatlannak tűnhet, ezért elég annyit mondanunk, hogy a kvantumtechnológia rengeteg lehetőséget rejt magában, melyek többsége ráadásul már kevésbé tűnik olyan távoli álomnak, mint egy évtizeddel ezelőtt.

A kvantum-internet egyik legnagyobb prioritása a megsokszorozódó sávszélesség, és a jelenleg még elképzelhetetlennek tűnő sebesség. A szakemberek szerint ugyanis a megoldás a fény sebességénél akár tízszer gyorsabb adatátvitelre lesz képes. 

Itt persze sokan jogosan vonják fel a szemöldöküket, mondván: ez a feltételezés ellenkezik a fizika egyik alapvető törvényével, hiszen semmi nem képes arra, hogy a fénysebességnél gyorsabban utazzon. 

A kvantumtechnológia esetében azonban egészen más a helyzet. A végtelenségig leegyszerűsítve a kvantumkommunikáció vizsgálata során elmondható az, hogy az egymástól távol eső részecskék is hatással vannak egymásra, anélkül, hogy a hagyományos eszközökkel kimutatható lenne köztük kapcsolat. Ez elméletben lehetővé teszi azt, hogy az adatok a fény sebességénél jóval gyorsabban utazhassanak. Vagy akár úgy is fogalmazhatunk, hogy megteremti az információ teleportálásának lehetőségét.

Az egyetlen probléma az, hogy egyelőre a kvantummérések véletlenszerűek. Az összefonódott részecskéket ugyanis lehetetlen egy adott állapotba vagy erőmérésbe kényszeríteni egy adott eredmény elérése érdekében. Ez pedig azt eredményezi, hogy a gyakorlatban még mindig nem lehetséges a kvantumos összefonódás útján gyorsabb üzeneteket küldeni, mint a fénysebesség. 

Ez persze nem jelenti azt, hogy a probléma megoldhatatlan és áthidalhatatlan lenne. Azonban a hatékony megvalósítás több kutatást igényel, és egyelőre úgy tűnik, egy ideig még váratni fog magára.

A kvantumszámítógépekben rejlő lehetőségeket azonban kiválóan illusztrálja a Google 2019-ben épített kvantumszámítógépe, melynek 53 kvantumbit segítségével olyan problémát sikerült körülbelül 3 perc alatt megoldania, amelyhez a jelenlegi leggyorsabb számítógépnek több mint 10 ezer évre lett volna szüksége. 

A kvantumkommunikációs hálózatokban rejlő legnagyobb előny azonban, ami miatt a megvalósítás kutatók ezreit mozgatja meg világszerte, nem más, mint hogy a megoldás rendkívül biztonságos és gyakorlatilag feltörhetetlen. 

Ennek oka, hogy a kvantumrészecskék egyszerre több állapotban létezhetnek, ami rendkívül hatékonnyá teszi a titkosítás folyamatát. A két, kommunikációt folytató fél egy digitális kulcspár segítségével tudja dekódolni a hálózaton utazó információkat. Ezt nevezzük kvantumkulcs-elosztásnak (Quantum key distribution – QKD), mely a jövőben a kiberbiztonság és a hatékony dekódolási technológiák alapköve lehet. 

Abban az esetben, ha egy harmadik fél jogosulatlanul próbál hozzáférni az adatokhoz, azonnal megváltoztatja a kvantumkulcsok állapotát, ezáltal pedig leleplezi magát, hiszen magával a lehallgatás tényével megmásítja az üzenetet.

Egy ilyen megoldásra pedig hatalmas szükség van, ugyanis a folyamatos technológiai fejlődés a jelenlegi véletlenszám generátorokon és matematikai képleteken alapuló titkosítási szabványokat elavulttá teszi és egyre nagyobb teret biztosít a kiberbűnözők számára, akik sokkal könnyebben férhetnek hozzá a féltve őrzött adatainkhoz.  

Mikor lesz elérhető számunkra a kvantumkapcsolat?

A kvantumhálózatok kialakításához az alapvető technológiai hozzávalókkal és a tudással már rendelkezik az emberiség, azonban a megvalósításra és a széles körben való elterjedésre nagy valószínűséggel még várnunk kell. Többek közt azért, mert a kvantumszámítógépek még egyelőre drágák, nagyok és még messze nincsenek olyan szinten összehangolva, mint a jelenleg használt eszközeink. A rendszerek csak fénytől teljesen elzártan, vákuumban, az űrnél is hidegebb hőmérsékleten működtethetők. Ráadásul a hálózatok méretezhetősége is komoly kérdéseket vet fel.

Ez azt jelenti, hogy a hatékony internetmegosztás a gyakorlatban egyelőre még nem igazán működik. 

A megoldást a problémára olyan kutatások jelenthetik, mint például a Bristoli Egyetem munkatársai által vizsgált multiplex összefonódás jelensége, mely az egymástól nagy távolságokra lévő, de összetartozó kvantumrészek között áll fenn. 

Két objektum kvantumállapotban alkot kvantumrendszert, és két részecske spinje, azaz saját, belső impulzusmomentuma összefonódott állapotban van. Ez azt jelenti, hogy ha az egyikkel bármilyen műveletet végzünk, az a másikra is kihat, függetlenül attól, hogy milyen messze vannak egymástól. Ez a jelenség alkalmas a biztonságos titkosító kulcs generálására.

Az összefonódással kapcsolatos kísérletek egyébként már nem újkeletűek. A Delfti Műszaki Egyetem kutatói már 2015-ben, egymástól 1.3 kilométer távolságban lévő állomások közti kapcsolat megteremtésével bizonyították, hogy a készülékfüggetlen kulcsmegosztás gyakorlatban is működőképes.  

Jelenleg pedig Kínában és Japánban is komoly kutatásokat folytatnak a kvantumhálózatok lehetőségeit illetően. Japán tavaly egy öt éves programot hirdetett egy kvantumosan titkosított országos hálózat fejlesztésére, melyre az első évben 1,4 milliárd jent (közel 3,9 milliárd forintot) szántak, a Kína Tudományos és Műszaki Egyetem kutatói pedig 2000 kilométeres hálózatot építettek ki Peking és Sanghaj közt. A hálózat abból a szempontból még nem tökéletes, hogy nem tisztán kvantumtechnológián alapul, és hagyományos adatátviteli megoldásokra is támaszkodik, ami egyelőre még teret ad az adatátvitelbe történő, rosszindulatú beavatkozás lehetőségének.

Összességében tehát elmondható, hogy az elmúlt években a kvantumhálózatokkal kapcsolatos kutatások rendkívül sokat fejlődtek, és egyre többet tudunk a kvantumalapú kommunikáció lehetőségeit illetően. Azt azonban, hogy egy ilyen jellegű hálózat mikor lesz bárki számára elérhető úgy, mint jelenleg az 5G, egyelőre nem tudni pontosan, habár a szakemberek rendkívül bizakodóak. 

A jövő még számos izgalmas dolgot rejteget a kutatók számára, és habár a kvantum-internet hétköznapokban történő megvalósulása még rendkívül távolinak tűnik, alapvetően elmondhatjuk azt, hogy még sosem voltunk annyira közel a megoldáshoz, mint napjainkban. 

Ez azt jelenti, hogy a becslések szerint 2030-ra, azaz nagyjából tíz éven belül a kvantum-internet akár már az átlag felhasználók számára is elérhető lehet, a banki rendszerek pedig akár már a 2020-as években is átállhatnak a kvantumalapú hálózatok használatára. Eleinte tehát nagy valószínűséggel a kvantumtechnológia a hagyományos internet egyfajta kiegészítő részeként funkcionálhat, garantálva a különösen nagy biztonságot igénylő feladatok biztosítását.

Az elsődleges cél pedig egyértelműen az, hogy a kvantum-internet a már ma is létező és használt optikai kábel-hálózaton működhessen. Vagyis a kutatók leginkább a napjainkban is alkalmazott infrastruktúrát szeretnék alkalmassá tenni kvantuminformáció szupergyors és biztonságos továbbítására. Ezáltal a változás felhasználói szempontból gyakorlatilag semmiféle változást nem vonna magával és nagy valószínűséggel otthoni kvantumszámítógépekre sem lesz szükségünk ahhoz, hogy 10-15 év múlva is problémamentesen kapcsolódhassunk a netre.

Már otthonra is vásárolhatunk kvantumszámítógépet?

Habár az otthoni kvantumszámítógépek sokak számára még egy távoli, futurisztikus dolognak tűnhetnek, a koncepció gyakorlatilag már az ajtónkon dörömböl. Sőt, azt is mondhatnánk, hogy már az előszobában van. Egy kínai startup ugyanis már előállt egy olyan asztali megoldással, mely kiváló lehetőséget biztosít a kvantum-számítástechnika bemutatására és oktatására.

A SpinQ Gemini nem más, mint egy két qubites számítógép, mely a hagyományos kvantumszámítógpeknél kisebb, könnyebb és könnyebben használható és ára is töredéke annak, amit egy komplex, nagy teljesítményű kvantumgépért kellene fizetnünk.

A Gemini nem az első, kereskedelmi forgalomban is kapható kvantumszámítógép. A D-Wave Advantage 5000 qubit és 15 utas qubit csatlakozással rendelkező kvantumrendszer, melyet a fejlesztő bejelentése szerint már több felhasználó számos különböző területen is sikerrel alkalmazott, többek közt üzleti alkalmazások és egyéb, termelékenység szempontjából fontos belsős megoldások fejlesztésére.

A kínai megoldás egyik legnagyobb előnye azonban, hogy előreláthatólag a D-Wave Advantage árának töredékéért hozzájuthatunk majd. Utóbbi rendszer ugyanis meglehetősen magas, 10 millió dolláros áron volt elérhető, ami nagyjából 3 milliárd forintnak megfelelő összeg. 

Mi sem szeretnénk lemaradni a jövőről

A kvantumkommunikációval kapcsolatos kutatások természetesen nem kizárólag külföldre koncentrálódnak. Hazánkban 2018 óta létezik a Magyar Tudományos Akadémia által életre hívott Nemzeti Kvantumtechnológiai Program, melynek legfőbb célja, hogy összefogja a Magyarországon kvantumtechnológiai kutatásokat végző, nemzetközileg is elismerésnek örvendő csoportokat, ezáltal segítve a kvantummechanika elvein alapuló technológiák hatékony fejlesztését és használatát.

A Nemzeti Kvantumtechnológiai Program kutatólaboratóriumok létrehozásával, fejlesztésével, a szükséges eszközök beszerzésével, valamint a kvantumtechnológiával kapcsolatos kísérletekkel több lépcsőfokban teszi lehetővé azt, hogy a szupergyors és szuperbiztonságos kvantum-internet a magyar kutatók elkötelezett munkájának köszönhetően is belátható közelségbe kerüljön.

A program 2018-ban 3,5 milliárd forint kezdő költségvetéssel indult, ami első ránézésre rengeteg pénznek tűnhet, azonban a fentebb említett D-Wave Advantage rendszer árához képest már egyáltalán nem mondható irreálisnak. Hogy milyen mértékben sikerül előremozdítania a hazai kvantumkutatást, az egyelőre még nyitott kérdés, de persze bízunk abban, hogy belátható időn belül hazánk is csatlakozhat a világ kvantumhatalmai közé.