Nowa epoka cyberbezpieczeństwa

Fides et ratiolaureata Nagrody Nobla

Na początku miesiąca, 4 października, Komitet Noblowski ogłosił przyznanie Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki trzem naukowcom, to prof. Alain Aspect z Francji, prof. John F. Clauser z USA oraz prof. Anton Zeilinger z Austrii. Otrzymali oni nagrodę za „eksperymenty ze splątanymi fotonami, ustalenie naruszenia nierówności Bella i pionierską informatykę kwantową”. Niewątpliwie są to bardzo trudne zagadnienia, ale mające ogromne znaczenie, szczególnie dzisiaj, kiedy komputery kwantowe zaczynają działać w coraz szerszych obszarach praktycznych zastosowań („Kwantowy wyścig”, „Nasz Dziennik”, 18.11.2019).

Poza tym najnowsze doświadczenia mechaniki kwantowej mają bardzo duże znaczenie w szerszym aspekcie, obejmującym problemy filozoficzne, dotyczące fundamentalnych struktur rzeczywistości, w której żyjemy. Trudne zagadnienia, które do niedawna były jedynie domeną zainteresowania wąskiego grona fizyków, zaczynają wręcz wkraczać w nasze codzienne życie, chociażby jako nowe metody szyfrowania informacji, za pomocą metod kryptografii kwantowej. Komitet Noblowski w swoim uzasadnieniu stwierdził, że cała trójka „prowadziła przełomowe badania nad splątanymi stanami kwantowymi cząstek, kiedy stan jednej z nich jednoznacznie determinuje stan drugiej, nawet jeśli znajdują się one bardzo daleko od siebie i nie są w stanie wymienić między sobą żadnej informacji rozchodzącej się z prędkością światła”. Takie zjawisko Albert Einstein nazwał „upiornym oddziaływaniem na odległość”, a polega ono na tym, że jeśli mamy do czynienia z dwiema splątanymi cząstkami kwantowymi, które mają np. określoną wartość polaryzacji, to kiedy je rozdzielimy i jedna z takich cząstek zostanie przeniesiona nawet na drugi kraniec naszej Galaktyki, to kiedy zmierzymy stan polaryzacji cząstki, która pozostała na Ziemi, możemy mieć pewność, że tamta w tym samym momencie przyjmie dokładnie taki sam stan, chociaż żadna informacja pomiędzy tymi cząstkami nie mogła zostać przekazana.

Ta, wydawać by się mogło, abstrakcyjna właściwość ma jednak bardzo praktyczne znaczenie, pozwala bowiem tworzyć systemy informacji kwantowej, a nawet kwantowego internetu, dla którego granice czasu i przestrzeni będą miały dużo mniejsze znaczenie niż obecnie. Cząstki splątane kwantowo zmieniają bowiem swoje stany natychmiast, bez żadnego opóźnienia, wynikającego np. z przekazania odpowiedniej informacji nawet z maksymalną prędkością, z jaką porusza się światło. W laboratoriach trwają już prace nad kwantowymi czujnikami, które są bardzo czułe nawet na niewielkie zmiany wartości pola magnetycznego, które jest wytwarzane podczas aktywności neuronów w naszym organizmie, co powinno pozwolić na opracowanie nowych metod diagnostycznych stosowanych m.in. w chorobach neurologicznych.

Chociaż to trudne zagadnienia, warto zapoznać się z nimi bliżej, ponieważ będą one miały coraz większe znaczenie w naszym życiu w związku z wdrażaniem coraz nowszych technologii kwantowych. Czytelników zainteresowanych szerszym omówieniem zagadnień związanych z mechaniką kwantową oraz pojęciami czasu i przestrzeni odsyłam do książki „Transhumanizm. Retiarius contra Secutor. Tom 2”, w której staram się w przystępny sposób opisać te ważne problemy.

Radość w Watykanie

Nas jednak dalej będzie interesował tylko jeden z laureatów Nagrody Nobla, prof. Anton Zeilinger, który uważany jest za pioniera praktycznych eksperymentów przesłania informacji kwantowej pomiędzy fotonami. Swoje badania opisał on słowami: „Fizyka kwantowa przeszła przez ostatnie sto lat drogę od dyscypliny filozoficznej do zastosowania technologicznego, ale wiele fundamentalnych pytań nadal pozostaje bez odpowiedzi”. I to pytań ważnych z punktu widzenia filozofii. W makroświecie, czyli świecie, w którym żyjemy, kiedy badamy lub obserwujemy grupę bardzo wielu cząstek, możemy zawsze odnaleźć przyczyny, jakie wpływają na ich zachowania.

W świecie kwantów, które budują przecież naszą makroskopową rzeczywistość, znalezienie przyczyn, które wpływają na pojedyncze cząstki kwantowe, jest jednak niemożliwe. Nie znamy i nie rozumiemy przyczyn zachowania pojedynczej cząstki kwantowej. Mechanika kwantowa uświadamia nam zupełnie nową definicję przypadkowości. Nie można dzisiaj wyjaśnić i jednoznacznie wskazać, który promieniotwórczy atom z miliardów znajdujących się w badanym w laboratorium zbiorniku dokona rozpadu promieniotwórczego. Ale umiemy wyznaczyć zależność dla bardzo dużego zbioru podobnych cząstek. Pojedyncze zdarzenia w świecie kwantowym nie mają przyczyny. Nie znaczy to jednak wcale, że nasz świat jest przypadkowy, i jednocześnie wyjaśnia również paradoks Einsteina, który nie mógł się pogodzić z taką fundamentalną przypadkowością, formułując swoje słynne stwierdzenie, że „Bóg nie gra w kości”. Jak stwierdził tegoroczny laureat Nagrody Nobla: „Nasz codzienny język nie radzi sobie z opisem zjawisk kwantowych. Błędem jest spodziewać się, że cząstka była w konkretnym miejscu. Niektórzy mówią, że cząstka była ’rozmazana’ w przestrzeni. Ale cząstka nie wie, gdzie jest, i nikt tego nie wie. Jest niezdefiniowana. Spodziewanie się, że ona ’gdzieś była’ jest mylne. Tak samo jak mylne jest również zakładanie, że jej „nigdzie nie było”. Takie wyjaśnienia niewątpliwie wymagają uzupełnienia w kontekście metafizycznym, mają bowiem fundamentalne znaczenie dla naszego życia, a nie można ich jednoznacznie wyjaśnić, posługując się jedynie ograniczonym, współczesnym paradygmatem naukowym.

Na informację o przyznaniu nagrody Nobla prof. Antonemu Zeilingerowi ks. kard. Christopher Schönborn zareagował z wielką radością, ponieważ uważa go za znakomitego naukowca otwartego na problemy transcendentalne. W rozmowie z dziennikarzami ks. kard. Schönborn określił prof. Zeilingera jako przykład naukowca, który zajmując się nauką, oprócz ratio wcale nie wyklucza znaczenia fides. Jeszcze w roku 1996, kiedy prof. Zeilinger pracował w Instytucie Fizyki Doświadczalnej na Uniwersytecie w Innsbrucku, otrzymał od archidiecezji wiedeńskiej Nagrodę Kardynała Innitzera przeznaczoną dla naukowców wspierających Kościół katolicki.

Ksiądz kard. Schönborn podkreślił, że dla prof. Zeilingera związek między nauką i wiarą był zawsze bardzo ważnym zagadnieniem, które omawiał w licznych wystąpieniach i pracach naukowych. To dobrze, że w tak bardzo lewicowo zideologizowanym środowisku naukowym przyznającym Nagrody Nobla znalazło się miejsce dla naukowca, który nie obawia się merytorycznej dyskusji dotyczącej problemów fides et ratio. Kilka miesięcy po przyznaniu Nagrody Kardynała Innitzera prof. Zeilingerowi udało się po wielu latach ciężkiej pracy eksperymentalnej przeprowadzić pierwszą teleportację kwantową pomiędzy dwoma fotonami, które powstały w dwóch odrębnych aktach emisji. I właśnie to doświadczenie zapewniło mu Nagrodę Nobla.

W trakcie swojej kariery naukowej prof. Zeilinger bardzo często opowiadał się za koniecznością zgodnego współistnienia nauki i religii. Jego zdaniem konflikty na tym polu powstają tylko wtedy, kiedy następuje przekraczanie obszaru kompetencji. Jak sam stwierdził: „jeśli w średniowieczu Kościół czasami zajmował stanowisko zbytnio wkraczające na obszar dociekań czysto naukowych, o tyle dzisiaj dużo poważniejsze naruszenia pochodzą ze strony nauk przyrodniczych. Ich przedstawiciele niekiedy uważają, że mogą obalić poglądy religijne albo je ośmieszyć, co jest po prostu bzdurą”. Jest to sformułowanie w pełni zgodne ze słynnym już przecież stwierdzeniem św. Jana Pawła II w encyklice „Fides et ratio”, że „Wiara i rozum są jak dwa skrzydła, na których duch ludzki unosi się ku kontemplacji prawdy”.

Splątanie kwantowe

Wróćmy jeszcze do eksperymentów przeprowadzonych przez prof. Zeilingera. Wykorzystując udoskonaloną aparaturę i wykonując żmudne i długotrwałe serie eksperymentów, osiągnął możliwość praktycznego wykorzystywania splątanych stanów fotonowych. Wytwarzał fotony, stosując wiązki laserowe skierowane na specjalny kryształ, który był wykorzystywany do przełączania aparatury generującej przypadkowe liczby.

Podczas jednego eksperymentu wykorzystywano nawet sygnały świetlne pochodzące z odległych galaktyk, aby całkowicie wykluczyć wpływ przypadkowych zakłóceń laboratoryjnych. W ten sposób w 1997 roku w jego laboratorium uzyskano potwierdzenie zjawiska zwanego teleportacją kwantową, które umożliwia przenoszenie splątanego stanu kwantowego z jednej cząstki na drugą nawet na bardzo duże odległości.

Laureaci musieli czekać wiele lat na przyznanie Nagrody Nobla, ponieważ dopiero niedawno udało się przeprowadzić jeszcze bardziej zaawansowane doświadczenie, które potwierdziło pierwotne koncepcje. Mechanika kwantowa zyskała kolejne ważne potwierdzenie i możliwość dalszego rozwoju nowoczesnych technologii kwantowych, które zostaną wykorzystane w budowie kolejnych generacji komputerów kwantowych i metod kryptografii kwantowej. Eksperyment potwierdzający przeprowadzono na Uniwersytecie Technicznym w Delft w Holandii i został on potraktowany jako wyczekiwany przełom w dziedzinie badania splątanych stanów kwantowych.

W tym doświadczeniu zastosowano specjalną technikę zamiany splątania, która pozwoliła użyć zarówno cząsteczek światła – fotonów, jak i cząstek materii. W dwóch osobnych laboratoriach znajdujących się w odległości około 1,3 km umieszczono kryształy diamentu. Do wnętrza kryształów wprowadzono elektrony, które zostały indywidualnie splątane z fotonami. Następnie fotony te przesłano do drugiego laboratorium, gdzie doszło do ich kwantowego splątania. W ciągu dziewięciu dni zespół naukowców z Delft zdołał stworzyć 245 par splątanych ze sobą elektronów. Pozwoliło to zweryfikować koncepcje teoretyczne, a przeprowadzenie eksperymentu w dwóch różnych, oddalonych od siebie laboratoriach wyeliminowało błędy detekcji i komunikacji. Doświadczenia tego typu wymagają oczywiście zespołowej pracy wielu naukowców oraz olbrzymich nakładów finansowych. Nie mają one jednak jedynie celów teoretycznych, ale są nastawione również na bardzo praktyczne zastosowania.

Kwantowy internet

Ponieważ działają już na świecie liczne komputery kwantowe, więc najwyższy czas, aby połączyć je siecią, ale nie klasycznym internetem, ale internetem kwantowym. Budowa takiej sieci kwantowej to już dzisiaj swoisty wyścig zbrojeń największych mocarstw świata. Departament obrony Stanów Zjednoczonych już w 2020 roku opracował strategie rozwoju mające doprowadzić do realizacji globalnej sieci kwantowego internetu. Według amerykańskich specjalistów będzie to możliwe jeszcze w tej dekadzie, niektórzy wskazują nawet na rok 2028.

 

W świecie mechaniki kwantowej dane będą kodowane w postaci kubitów, które będą przetwarzane przez komputery kwantowe. Struktura internetu kwantowego będzie miała zadanie przesyłania kubitów przez specjalnie skonstruowaną sieć globalną. Przesyłanie kubitów przez kanał kwantowy oznacza przenoszenie informacji o stanach kwantowych, a nie dosłowne przenoszenie cząsteczek.

W przypadku klasycznej komunikacji dane zabezpieczone są dzięki dystrybucji klucza kryptograficznego. Bezpieczeństwo klasycznych metod komunikacji internetowych opiera się na algorytmach tworzenia takich kluczy. Złamanie tego kodu jest bardzo trudne, ale dla komputerów kwantowych staje się teoretycznie możliwe. Zatem w internecie kwantowym najważniejszym problemem będzie opracowanie nowych, skuteczniejszych metod kryptografii kwantowej.

Obecnie koncepcja kwantowego szyfrowania jest podstawą nowej dziedziny cyberbezpieczeństwa, zwanej kwantową dystrybucją klucza (QKD). Zatem wchodzimy w nową epokę cyberbezpieczeństwa, w której informatycy oprócz wiedzy z dziedziny nauk komputerowych będą musieli nauczyć się podstaw mechaniki kwantowej. To bardzo poważne wyzwanie dla systemów kształcenia, i to na każdym poziomie. Końcowym celem będzie możliwość błyskawicznego, globalnego przesyłania danych bez jakichkolwiek opóźnień. Nad kwantowym internetem pracują obecnie Big Tech, a także duże firmy technologiczne. Ale pamiętajmy, że aby rozwijać nowe technologie internetu komputerowego, konieczne są również zaawansowane badania naukowe podobne do tych, które prowadzi prof. Anton Zeilinger. Jednak najważniejsze, oprócz implementacji technologicznych, jest prowadzenie badań w uniwersalnym duchu zasady fides et ratio, która jest przecież mottem Akademii Kultury Społecznej i Medialnej w Toruniu, gdzie również kształcimy informatyków przygotowanych do przyszłych wyzwań informatycznych.