Na konferenciji za novinare održanoj na Univerzitetu u Čikagu, američko Ministarstvo energetike -kancelarija za naučne i tehničke informacije (U.S. Department of Energy (DOE), Office of Scientific and Technical Information) predstavilo je izveštaj pod naslovom: Technical Report: From Long-distance Entanglement to Building a Nationwide Quantum Internet: Report of the DOE Quantum Internet Blueprint Workshop (Izveštaj).  

Izveštaj predstavlja strategiju za ubrzanje istraživanja kvantne nauke i tehnologije, sa naglaskom na stvaranje nacionalnog kvantnog interneta. Ovim dokumentom se, po mišljenju autora Izveštaja, podstiče nova era komunikacija i Sjedinjene Države stavljaju u prvi plan globalne kvantne trke. Cilj strategije je da ukaže na dalje pravce razvoja i omogući implementacija Nacionalnog zakona o kvantnoj inicijativi (National Quantum Initiative Act) iz decembra 2018. godine (kao deo američkog plana za unapređenje kvantne tehnologije, posebno kvantnog računarstva).

Formirana je grupa od oko 50 organizacija na čelu sa DOE i Univerzitetom u Čikagu. Na konferenciji za novinare, najavljeno je da će 17 Nacionalnih laboratorija DOE služiti kao okosnica projekta zvanog kvantni internet.

David Avschalom, profesor na University of Chicago’s Pritzker School of Molecular Engineering, nazvao je ovaj projekat stubom nacionalnog programa za kvantno istraživanje navodeći da se radio o rođenju nove tehnologije. „Takmičenje na globalnom nivou je u toku. Svaka velika zemlja na zemlji pokrenula je kvantni program … jer postaju svesni značaja ove tehnologije”, rekao je u intervjuu.

U pozadini vesti…

I dok se tradicionalni računarski sistemi bore sa Murovim zakonom kako bi povećali svoju snagu – računsku moć u skladu sa potražnjom, sve veći broj istraživačkih institucija i industrija pomera svoj fokus na kvantne tehnologije. U uvodu Izveštaja navodi se da se Kvantne računarske nauke (Quantum information science – QIS) odnose na proučavanje, kontrolu i manipulaciju kvantnih sistema sa ciljem detekcije informacija, njihovom obradom i komunikacijama koje prevazile granice klasičnog sveta. Iako se QIS proučavaju nekoliko decenija, u poslednjih pet godina došlo je do ogromnog napretka i proboja u ovoj oblasti.

U poslovnom svetu, mogućnosti primene kvantne tehnologije prvenstveno se odnose na optimizaciju: rešavanje složenih poslovnih problema, reinženjerig i rekonfigurisanje složenih poslovnih procesa i razumevanje korelacija između naizgled različitih skupova podataka u vrlo kratkom vremenskom periodu, čime se uvećavaju (ubrzavaju) poslovne performanse.

Brzina i računska snaga su ključne komponente pri radu sa podacima. Upotreba hardvera koji se bazira na jedinicama za kvantnu obradu podataka i odgovarajućih inofgrafičkih prikaza pružaju performanse potrebne za operacije koje zahtevaju veliku računarsku snagu. Kako tehnologija sazreva, izgleda da će kvantno računarstvo biti u dostupno preduzećima u sve većej meri – takozvana kvantna superiornost – sve nam je bliža. Oblasti primene mogu obuhvatati sektore poput  logistike, saobraćaja, finansija, zdravstva, energetike (prenos), države: bezbednost vladinih službi (npr. Izbori), igre na sreću itd. Posebno polje primene predstavlja Blind Quantum Computing, specijalizovana usluga zasnovana na sigurnoj komunikaciji koja omogućava zaštićeni prenos zadataka na moćne kvantne računare u oblaku.

Bez obzira što je kvantno računarstvo dominantno u QIS oblasti, kvantno umrežavanje (quantum networking) – privlači sve veći interes šire naučne zajednice. Za razliku od kvantnog računara opšte namene, koji je još je daleko od šire komercijalne upotrebe, naučna istraživačka zajednica smatra da je kvantno umrežavanje (kvantni internet) bliži realizaciji. Postoje prognoze da se izgradnja prototipa može očekivati unutar ove decenije. Posledica razvoja kvantnog umrežavanja jeste i ubrzanje razvoja kvantnog računarstva kroz povezivanje distribuiranih kvantnih računara, uz bezbednu komunikaciju.

Kako WSJ navodi, finansijske institucije neprestano prenose podatke koji moraju ostati poverljivi, kao što su zapisi koji sadrže informacije o klijentima ili podatke o transakcijama, rekao je Marco Pistoia, direktor i šef sektora za primenjeno istraživanje i inženjering u JPMorgan Chase & Co.

“Bukvalno sve što bi se danas prenosilo šifrovano bilo bi pogodno za kvantni internet u budućnosti”, rekao je gospodin Pistoia.

(Inače je IBM je potpisao ugovor sa firmama: JPMorgan, Chase, Barclays, Samsung, Daimler i Honda kako bi učestvovali u eksperimentalnom projektu kvantnog računarstva).

Dodatan stimulans u razvoju u QIS oblasti leži u činjenici da su vlade razvijenih država veoma zainteresovane za razvoj kvantnih mreža u domenu nacionalne bezbednosti, imajući u vidu osnovne postulate kvantnog umrežavanja koje se odnose na sigurnu komunikaciju.

Sigurna kvantna komunikacija predstavlja sposobnost kvantnog Interneta da pruži vrhunsku i sigurnu komunikaciju. Ona se bazira na kvantnoj distribucija ključeva (Quantum Key Distribution) koji predstavlja osnov sigurne kvantne komunikacije i razmeni informacija preko kvantnog kanala (information exchange over a quantum channel) – sa naglašenom sposobnošću da otkriva bilo kakvo presretanje.

Kad je u pitanju kvantni internet, naučnici trenutno eksperimentišu sa takozvanim kvantnim repetitorima koji se mogu postaviti duž čvorova (nodes) ovog novog interneta kako bi bili sigurni da fotoni ostaju prepleteni kada signal padne, što je neizbežno tokom prenosa podataka preko interneta širom zemlje (otprilike 20 milja tokom prenosa). Kvantni repetitori su u ranoj fazi razvoja, ali pokazuju obećavajuće rezultate.

Stanje u oblasti

Presek stanja u domenu kvantnog umrežavanja možemo prikazati kroz pojedina dostignuća lidera u ovoj oblasti:

• Kina ulaže značajna sredstva u kvantnu tehnologiju, čime ostvaruje velike ekonomske i nacionalne bezbednosne prednosti, kao jednom od zemlja koje dominiraju u ovoj oblasti. Često se pravi poređenje u ostvarenim dostignućima u oblasti kvantne tehnologije izmedju Kine i Amerike, trenutno dva najveća lidera i konkurenta u ovoj oblasti (primer grafikona koje je objavio Vašington post):

U junu 2019. Kineski naučnici su uspostavili satelitski opseg fotona (Photon) na razdaljini od 1200 km koristeći Micius – prvi satelit za kvantnu komunikaciju na svetu, koji će prema nekim najavama za nekoliko godina omogućiti lidersku poziciju Kine u oblasti kvantne enkripcije.

• Evropa je formirala Kvantum Internet Alijansu (Kuantum Internet Alliance) kao deo Horizon 2020 projekta, kako bi razvila plan (blueprint) za razvoj kvantnog Internet. Od tada su sprovedeni razičiti eksperimenti kako bi potvrdile početne hipoteze, uključujući demonstraciju kvantnog preplitanja (Quantum entanglement) optičkim vlaknima u dužini preko 50 km u januaru 2019. godine.  

• U aprilu 2019. naučnici DOE, Univerzitet Stoni Bruk (Stony Brook University) i Mreža nauka o energiji (Energy Sciences Network – ESnet) postigli su preplitanja na više od 18 km koristeći prenosive kvantne izvore preplitanja instalirane na postojeću komunikacionu fiber mrežu. Posebno je značajno što su korišćeni prenosivi izvori preplitanja koji se mogu lako montirati u postojeće police običnih računarskih servera podataka koji su povezani standardnim fiber vlakanima. Od tada, testirana kvantna mreža dostigla je opseg od 80 milja.

Epilog

Jednostavno rečeno, američkoj javnosti je najavljen projekat novog Interneta koji bi trebalo da funkcioniše uz postojeće globalne mreže, koristeći zakone kvantne mehanike, tako što bi se bezbednije razmenjivale informacije i povezivale nove generaciju računara.

Moji komentari

Ne čudi, što se izgradnja i skaliranje kvantno zaštićenih i naprednih komunikacionih mreža našlo među najvažnijim tehnološkim izazovima 21. veka.

Verujem da paralelni (kvantni) internet koji će funkcionisati sa postojećim (digitalnim internetom) možemo očekivati do kraja ove dekade u punoj implementaciji.

Siguran sam da će doneti progres i promenu paradigmi u mnogim oblastima nauke i primene.

Takođe, ne verujem u njegovu osnovnu funkcionalnost – potpunu sigurnost, bez obzira na izjavu koju je samouvereno dao Paul Dabbar, the Energy Department’s Under Secretary for Science: “A quantum network, because of physics, is by definition completely secure”… jer … „Dok je raje i muka, biće i hajduka“ (narodna poslovica).

Vezano za strateški dokument koji je predstavljao osnov za pisanje priloga

Predstavljena strategija nije praćena odgovarajućim akcionim planom. U dokumentu na 38 stranica sadržana su 4 prioriteta istraživanja (Priority Research Directions) sa ključnim pitanjima i 5 uporišta, glavnih pravaca akcije (Milestones), ali ne postoji detaljan plan za sprovođenje strategije (nisu definisane odgovorne institucije i rokovi za implementaciju).

Takođe, kako će se tačno finansirati implementacija predstavljene strategije nije jasno navedeno, niti je to Ministarstvo energetike objavilo na konferenciji za štampu. U razgovoru sa novinarima, Paul Dabbar, podsekretar Ministarstva za energetiku, samo je rekao da savezna vlada ulaže oko 500 do 700 miliona dolara godišnje u kvantne informacione tehnologije, sugerišući da će neki deo od tog novca otići na finansiranje novog Interneta.

WSJ navodi da će se Projekat (kvanti internet) finansirati delom iz budžeta od 1,275 milijardi dolara dodeljenog kao deo Nacionalne kvantne inicijative predsednika Trampa (National Quantum Initiative).

Korišćeni izvori:

Azuma, K., Tamaki, K. & Lo, H. All-photonic quantum repeaters. Nat Commun 6, 6787 (2015). https://doi.org/10.1038/ncomms7787

Brekenfeld, M., Niemietz, D., Christesen, J.D. et al. A quantum network node with crossed optical fibre cavities. Nat. Phys. 16, 647–651 (2020). https://doi.org/10.1038/s41567-020-0855-3

China’s quantum satellite enables first totally secure long-range messages (2020). The Conversation, Downloaded July 28, 2020, https://theconversation.com/chinas-quantum-satellite-enables-first-totally-secure-long-range-messages-140803#:~:text=The%20satellite%20serves%20as%20the,how%20far%20apart%20they%20are.&text=If%20you%20use%20one%20of,other%20particle%20can%20decode%20them.

Cyber defence (2020). NATO Multimedia portal, Downloaded July 27, 2020, https://www.nato.int/cps/en/natohq/topics_78170.htm

Department of Energy unveils blueprint for quantum internet in event at University of Chicago (2020). UChicago News, Downloaded July 27, 2020, https://news.uchicago.edu/story/department-energy-unveils-blueprint-quantum-internet-event-university-chicago

Erhard, M., Krenn, M. & Zeilinger, A. Advances in high-dimensional quantum entanglement. Nat Rev Phys 2, 365–381 (2020). https://doi.org/10.1038/s42254-020-0193-5

Gyongyosi, L., Sandor, I and Nguyen, H. V. (2018). A Survey on Quantum Channel Capacities, January 2018IEEE Communications Surveys & Tutorials, DOI: 10.1109/COMST.2017.2786748

IBM signs up JPMorgan Chase, Barclays to collaborate on its quantum computing project (2017). CIOL Writers, Downloaded July 28, 2020, https://www.ciol.com/ibm-signs-jpmorgan-chase-barclays-collaborate-quantum-computing-project/

Fitzsimons, J.F. Private quantum computation: an introduction to blind quantum computing and related protocols. npj Quantum Inf 3, 23 (2017). https://doi.org/10.1038/s41534-017-0025-3

In Push for Better Cybersecurity, U.S. Energy Department Outlines a National Quantum Internet (2020), WSJ, CIO Journal, Downloaded July 28, 2020, https://www.wsj.com/articles/in-push-for-better-cybersecurity-u-s-energy-department-outlines-a-national-quantum-internet-11595527706?mod=djemCIO

Krutyanskiy V. L. et al. (2019). Light-matter entanglement over 50 km of optical fibre, Quantum Information 5(1):1-5, DOI: 10.1038/s41534-019-0186-3

National Quantum Initiative Act, Public Law No: 115-368 (12/21/2018). https://www.congress.gov/bill/115th-congress/house-bill/6227

None, None. From Long-distance Entanglement to Building a Nationwide Quantum Internet: Report of the DOE Quantum Internet Blueprint Workshop. United States: N. p., 2020. Web. doi:10.2172/1638794.

Quantum computing: A key ally for meeting business objectives (2020) MIT Technology Review, Downloaded July 27, 2020, https://www.technologyreview.com/2020/06/09/1002868/quantum-computing-a-key-ally-for-meeting-business-objectives/

Quantum Internet Alliance (2020). Downloaded July 28, 2020, http://quantum-internet.team/wp-content/uploads/2018/12/QIA-basic-project-presentation.pdf

Quantum Internet Alliance Project (2020). Downloaded July 28, 2020 https://cordis.europa.eu/project/id/820445

Quantum Repeaters (2010). QuReP, Downloaded July 28, 2020, http://www.quantumrepeaters.eu/quantumrepeaters.eu/index.php/qcomm/quantum-repeaters/

Puiu, T. (2017). What exactly is a photon? Definition, properties, facts. ZME Science, Downloaded July 28, 2020, https://www.zmescience.com/science/what-is-photon-definition-04322/

Shalf, J. (2020). The future of computing beyond Moore’s Law, Philosophical Transactions of The Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences 378(2166):20190061, March 2020, DOI: 10.1098/rsta.2019.0061

The quantum revolution is coming, and Chinese scientists are at the forefront (2020). The Washington Post, Downloaded July 28, 2020, https://www.washingtonpost.com/business/2019/08/18/quantum-revolution-is-coming-chinese-scientists-are-forefront/

The US just moved ahead of China in quantum computing. But the race isn’t over yet (2019) CNN Business, Downloaded July 27, 2020, https://edition.cnn.com/2019/10/24/tech/china-quantum-computing-intl-hnk/index.html

U.S. hatches plan to build a quantum Internet that might be unhackable (2020). The Washington Post, Downloaded July 28, 2020, https://www.washingtonpost.com/technology/2020/07/23/us-plan-quantum-internet/

Yin, J., Li, Y., Liao, S. et al. Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres. Nature 582, 501–505 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2401-yYuan, Z. L., at al. (2018). 10 Mb/s quantum key distribution. Journal of Lightwave Technology, DOI: 10.1109/JLT.2018.2843136

Who first proposed the idea of quantum computing using qubits? (2019). Quantum Computing Stack Exchange, Downloaded July 27, 2020 https://quantumcomputing.stackexchange.com/questions/1235/who-first-proposed-the-idea-of-quantum-computing-using-qubits