Peníze zakódované do částic světla: sci-fi, nebo příští krok po kryptoměnách?

Klasické šifrování, jak ho známe dnes, brzy narazí na své technologické limity. Hostem pořadu ScienceLab na platformě FocusOn byl kvantový fyzik Karel Lemr z Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci. V rozhovoru, který vznikl v rámci festivalu Academia Film Olomouc, jehož mediálním partnerem byla platforma FocusOn, vysvětlil, jak mohou kvantové počítače změnit svět kryptografie, proč vědci pracují na konceptu kvantových peněz a jak strojové učení urychluje vývoj technologií budoucnosti.

Spotify

Vědecký tým z laboratoře na Přírodovědecké fakultě Univerzity Palackého v Olomouci dosáhl pod vedením kvantového fyzika Karla Lemra významného úspěchu. Ve spolupráci s teoretickými fyziky z Japonska a Tchaj-wanu se mu podařilo experimentálně ověřit nový fyzikální zákon, který propojuje dva dosud odděleně chápané koncepty kvantové fyziky – neurčitost kvantového měření a kvantovou provázanost.

Zatímco teoretický model vytvořili zahraniční vědci, jeho experimentální ověření proběhlo právě v Olomouci. Jde o základní výzkum, jehož praktické využití nelze očekávat okamžitě. Podobné objevy však často tvoří základ technologií, které se prosadí až za několik desetiletí.

„Základní výzkum dneška je aplikovaným výzkumem budoucích desetiletí. Musíme nejprve pochopit, jak příroda na kvantové úrovni funguje. Čím lépe jí budeme rozumět a čím lépe budeme mít poskládané jednotlivé dílky mozaiky poznání, tím snazší pro nás bude vyvíjet kvantové technologie, které budou v budoucnu skutečně využitelné,“ vysvětluje Karel Lemr.

Podle něj by právě tento výzkum mohl v budoucnu najít uplatnění při budování kvantových komunikačních sítí, označovaných také jako kvantový internet.

Kvantové peníze: Konec padělání díky fyzikálním zákonům

Jedním z projektů, kterým se olomoucká laboratoř dlouhodobě věnuje, je koncept kvantových peněz. Myšlenka vznikla už v 80. letech minulého století, kdy fyzik Stephen Wiesner upozornil na jedinečnou vlastnost kvantových objektů – nelze je dokonale kopírovat.

Současný výzkum však původní představu posouvá do digitální éry. Budoucnost kvantových peněz nespočívá v nosičích s atomy, ale v tokenech zakódovaných do jednotlivých fotonů, tedy částic světla. Právě jejich kvantové vlastnosti by mohly zajistit ochranu proti padělání.

Hlavní výhodou kvantového tokenu je skutečnost, že jej nelze dokonale zkopírovat. Pokud totiž příjemce nezná přesný stav částice, fyzikální zákony mu neumožňují vytvořit její identickou kopii.

Olomoučtí vědci se proto zaměřili na testování hranic této technologie a zkoumali, jak vypadají nedokonalé padělky a kde leží hranice mezi běžnou technologickou chybou a pokusem o podvod.

„To, že kvantové peníze nelze padělat dokonale, je pravda. Lze však vytvářet nedokonalé padělky. Autorita, která následně ověřuje pravost tokenu, proto musí přesně vědět, kde ještě mohou být technologické chyby nebo nepřesnosti vzniklé při přenosu informace a co už může naznačovat pokus o padělání,“ vysvětluje Lemr. Výzkumný tým proto záměrně vytvářel nedokonalé kopie kvantových tokenů a hledal hranici, kdy už by je kontrolní systém neměl přijmout jako platné.

Hrozba pro kryptoměny i internetové bankovnictví

Kvantové technologie však nepředstavují pouze nové možnosti. Mohou zároveň ohrozit současné způsoby zabezpečení digitální komunikace.

Současná kryptografie je založena na předpokladu, že prolomení některých matematických úloh je pro běžné počítače natolik náročné, že se útok nevyplatí. Kvantové počítače však mohou tento předpoklad zásadně změnit. První experimenty již ukázaly, že kvantové procesory dokážou řešit některé specifické výpočetní úlohy výrazně rychleji než klasické počítače. Odborníci navíc vědí, že existují algoritmy, které by v budoucnu mohly prolomit některé dnes používané šifrovací systémy včetně známé šifry RSA, využívané například v internetovém bankovnictví nebo při zabezpečené komunikaci na internetu.

„Skutečnou hrozbou pro klasickou kryptografii je kvantový počítač, který dokáže prolomit konkrétní algoritmy, na nichž současná kryptografie stojí. Dnešní kryptografie se nespoléhá na nemožnost prolomení, ale na jeho obtížnost. Kvantové počítače však mohou v tomto směru přinést zásadní změnu,“ upozorňuje Karel Lemr.

Odborníci proto intenzivně pracují na takzvané postkvantové kryptografii, tedy nových šifrovacích algoritmech, které by měly zůstat bezpečné i v době nástupu výkonných kvantových počítačů.

Strojové učení urychluje kvantový výzkum

Významnou roli v současném kvantovém výzkumu začíná hrát také strojové učení. Analýza kvantových stavů je totiž extrémně náročná a vyžaduje velké množství měření i složité matematické výpočty.

Ukazuje se však, že vhodně natrénované algoritmy dokážou pracovat i s menším množstvím dat a přesto poskytovat velmi přesné výsledky. Díky tomu lze některé experimenty výrazně zrychlit a zlevnit.

„V nedávné publikaci jsme ukázali, že strojové učení dokáže navrhovat i nové experimentální postupy. Umí doporučit, co měřit a jakým způsobem měření provádět. V podstatě nám tak vytváří nové nástroje, které mohou být sice méně přesné, ale často výrazně rychlejší než tradiční teoreticky odvozené postupy,“ uzavírá Karel Lemr.

Právě spojení kvantových technologií a strojového učení může podle vědců výrazně urychlit vývoj budoucích komunikačních sítí, bezpečnostních systémů i nových výpočetních metod.

Celý rozhovor si můžete pustit jako video nebo podcast:

1. Jaké filozofické otázky vyvolává kvantové pozorování a kdy vlastně nastává okamžik měření?
2. Proč Albert Einstein nevěřil kvantové provázanosti a jak se stalo, že byl tento jev nakonec pojmenován právě po něm?
3. Jak si stojí česká kvantová fyzika v porovnání se světovou konkurencí?
4. Jak dokáže infračervené záření odhalit skryté vrstvy historických obrazů a pomáhat při výzkumu kulturního dědictví?
5. Proč podle Karla Lemra působí kvantová fyzika někdy jednodušeji než fyzika klasická?