Przyszłość liczona w kwantach

TEKST: Krzysztof Grządzielski
ZDJĘCIA: PCSS

Prace badawczo-rozwojowe w zakresie obliczeń kwantowych oraz komunikacji kwantowej prowadzone są w Poznańskim Centrum Superkomputerowo-Sieciowym od wielu lat. To zadecydowało o powierzeniu tej instytucji zadania organizacji dostępu do komputera kwantowego dla polskich zespołów naukowych. Przełomowym momentem w trwającym od niemal roku procesie były ustalenia rządowe, które zapadły w listopadzie 2021 roku na konferencji IMPACT, na Międzynarodowych Targach Poznańskich. Dzięki nim PCSS dołączył do IBM Quantum Network. To elitarna grupa licząca 170 instytucji naukowych, wiodących przedsiębiorstw, ośrodków badawczych i start-upów, zajmujących się pracą z wykorzystaniem przetwarzania kwantowego, we współpracy z amerykańskim przedsiębiorstwem informatycznym IBM. Na początku lutego, w siedzibie PCSS, podpisano umowy o współpracy w ramach sieci. Podczas wydarzenia UAM oraz Politechnika Poznańska podpisały także z firmą IBM list intencyjny w sprawie utworzenia kierunków studiów związanych z informatyką kwantową.

Komputer jutra dostępny już dziś
Komputer kwantowy nie jest tylko zaawansowaną wersją obecnych komputerów. To zupełnie nowa maszyna, której działanie jest oparte na fizyce kwantowej. Algorytmy kwantowe, w powiązaniu z wykorzystaniem mocy obliczeniowej superkomputerów, są w stanie poradzić sobie ze złożonymi zadaniami matematycznymi i informatycznymi nieporównywalnie szybciej, niż te powszechnie dziś stosowne w ramach tradycyjnych komputerów. W tym wynalazku wielu badaczy pokłada ogromne nadzieje na rozwój nauki i rozwiązanie problemów obliczeniowych, które do niedawna uznawano za niemożliwe do rozwiązania.

Jedną z najpopularniejszych ścieżek rozwoju, o której mówi się najczęściej w odniesieniu do obliczeń kwantowych, jest kryptografia. – Poznań posiada bogate tradycje kryptograficzne i Centrum Szyfrów Enigma, a my pracujemy nad kolejnym krokiem w dziedzinie zabezpieczania i szyfrowania informacji, czyli kryptografią kwantową – mówi Piotr Rydlichowski, koordynator ds. technologii kwantowych w PCSS. Technologie te pozwolą na dostarczenie użytkownikom Internetu bezpiecznych usług i nowych możliwości. – Połączenie kwantowe wdraża całkowicie odmienną i nową koncepcję w transmisji danych, czyli tzw. komunikację kwantową, gdzie kluczem jest operowanie oraz modyfikowanie stanów kwantowych pojedynczych fotonów, będących podstawą optycznej transmisji danych – tłumaczy Rydlichowski.

To przyszłość
Eksperci przekonują, że komunikacja kwantowa bez wątpienia będzie przyszłością, także w codziennym życiu przeciętnego Kowalskiego. Obecnie pracują nad tym największe globalne firmy technologiczne. Co ciekawe, współczesna kryptografia jest już stosowana z powodzeniem np. w ramach europejskiego projektu OPENQKD w Genewie. Wykorzystuje się ją do zapewnienia ultrabezpiecznego przechowywania aktywów cyfrowych dla podmiotów finansowych, takich jak: banki centralne, globalni depozytariusze czy giełdy kryptowalut. Technologia Quantum Key Distribution wykorzystywana jest też w Chinach. Przesyłanie kluczy do systemów kryptograficznych to idealny przykład najbezpieczniejszej komunikacji, wykorzystywanej chociażby do logowania czy uwierzytelniania działań w sieci. Na szerszą skalę ma być wykorzystywana w przyszłości m.in. do bezpiecznych połączeń internetowych z naszych smartfonów i komputerów w ramach bankowości, systemów rządowych, telefonii komórkowej oraz zdalnej pracy i edukacji.

Wdrażanie technologii kwantowej na dużą skalę, w ramach Unii Europejskiej, przewidywane jest na lata 2024–2030. – Pełny kwantowy Internet to kwestia najprawdopodobniej okresu po 2030 roku. Stworzy on bezpieczne środowisko wymiany danych, szczególnie gdy coraz więcej danych jest analizowanych oraz przesyłanych w trybie online. Ponadto, tego typu sieci będą podstawą do połączenia między sobą przyszłych komputerów kwantowych – podkreśla Piotr Rydlichowski. I dodaje, że pośrednio, poprzez badania i analizy firm, jednostek badawczych, przeciętny obywatel skorzysta z takiej infrastruktury w postaci nowych materiałów, lepszej optymalizacji wielu procesów m.in. w przemyśle, transporcie lub rynkach finansowych. Obliczenia kwantowe otwierają szerokie możliwości w chemii kwantowej, kwantowych symulacjach, komunikacji kwantowej, matematyce i kwantowym uczeniu maszynowym. Jest to szczególnie ważne obecnie w dobie szybko zmieniającego się świata, otoczenia społeczno-ekonomicznego, klimatu i rosnącej złożoności naszej rzeczywistości oraz problemów, jakie musimy rozwiązać, aby zapewnić zrównoważony rozwój. – Wytwarzamy oraz konsumujemy coraz więcej złożonych danych, a właśnie infrastruktura obliczeń kwantowych daje potencjalnie możliwości ich efektywnego przetwarzania – wyjaśnia Rydlichowski.

Innowacyjna technologia
Uruchomiony w Poznaniu system do tzw. komunikacji i kryptografii kwantowej to zarazem pierwsza w Polsce tego typu instalacja, która działa w operacyjnym środowisku telekomunikacyjnym. Gwarantuje to bezpieczne połączenia sieciowe, odporne na ataki hakerskie. Do połączenia wykorzystana została istniejąca infrastruktura PCSS – światłowody i serwerownie, będące częścią sieci PIONIER (konsorcjum akademickich sieci komputerowych) i POZMAN (sieć łącząca uczelnie wyższe, jednostki badawcze, szkoły, jednostki administracji oraz inne instytucje zlokalizowane na obszarze Poznania).

Bezpieczną transmisję uruchomiono pomiędzy serwerowniami PCSS przy ul. Wieniawskiego i ul. Jana Pawła II w Poznaniu, choć fizycznie komputer kwantowy znajduje się w USA, w laboratoriach IBM. Jest to praktyczne wykorzystanie technologii komunikacji kwantowej do zestawienia szyfrowanych połączeń zabezpieczonych prawami mechaniki kwantowej. – Uruchomienie IBM Quantum Hub w Polsce, to przełomowy krok w kierunku rozszerzenia naszego ekosystemu kwantowego – mówi Marcin Gajdziński, dyrektor generalny IBM Polska i Kraje Bałtyckie. Jak podkreśla, współpraca z IBM ma pozwolić PCSS na przeprowadzanie nowych odkryć w zastosowaniach dla obliczeń kwantowych, które mogą ostatecznie pomóc np. w pokonywaniu wyzwań związanych z tworzeniem nowych materiałów lub leków. Z kolei państwo polskie ma wykorzystywać technologie kwantowe przede wszystkim na potrzeby cyberbezpieczeństwa i sztucznej inteligencji, w tym także jako wsparcie dla innowacyjnych rozwiązań w przemyśle, technologiach kosmicznych, metrologii czy też w modelowaniu kryzysowym.

Polska jest jednym z tych państw, które wnoszą istotny wkład w rozwój technologii kwantowych na świecie, choć do tej pory mało kto miał u nas dostęp do takiego sprzętu. – PCSS, jako pierwsza polska instytucja publiczna dołączająca do IBM Quantum Network, będzie mógł także rozwijać przyszłościowe kompetencje w zakresie obliczeń kwantowych, tworzyć specjalistyczne oprogramowanie czy nowe narzędzia programistyczne dla użytkowników końcowych – mówi dr hab. inż. Krzysztof Kurowski, dyrektor techniczny PCSS. – W efekcie możliwe jest efektywne wykorzystanie rosnącego potencjału komputerów kwantowych w różnych obszarach zastosowań oraz łączenie tego potencjału z dostępną już mocą najsilniejszych superkomputerów w kraju – dodaje. Wdrażana w Poznaniu komunikacja kwantowa to kolejny milowy krok w rozwoju infrastruktury informatycznej i to nie tylko w obszarach zastosowań w nauce. – Bezpieczne przesyłanie danych pomiędzy takimi centrami przetwarzania jak PCSS to wyzwanie na skalę globalną. Bezpieczna wymiana informacji dotyczących zdrowia, sytuacji kryzysowych czy rynków finansowych to pierwsze tej skali zastosowania, jakie będziemy realizować – zapowiada dr inż. Cezary Mazurek, dyrektor PCSS.