Milníky a cíle vývoje kvantových procesorů firmy IBM Kredit: IBM Newsroom

Kvantové ptačí ZOO firmy IBM

I když moderním počítačům roste výkonnost, v křišťálové kouli vidíme budoucnost informačních technologií spjatou s  počítači kvantovými, které se i přes jistou skepsi pomalu, ale jistě stávají realitou. Zatím nepředstavují konkurenci, nicméně firma IBM by měla koncem tohoto roku představit 1 121qubitový procesor IBM Quantum Condor. Pro ilustraci rychlosti vývoje připomeňme, že v roce 2019 se IBM prezentovala 27qubitovým procesorem Falcon (sokol), o rok později 65qubitovým procesorem Hummingbird (kolibřík), v 2021 to byl 127qubitový kvantový procesor Eagle (orel), v listopadu 2022 pak 433qubitový IBM Quantum Osprey (orlovec). Po zmíněném letošním 1 121quibitovém procesoru Condor by příští rok měl následovat 1 386qubitový Flamingo (plameňák) a na rok 2025 má IBM naplánovaný 4 158qubitový procesor Kookaburra (ledňák) (zdroj).

Kvantové výpočty usnadňují prolomení bezpečnostních kódů

S nástupem vysoce výkonných kvantových počítačů roste ohrožení bezpečnosti, riziko prolomení šifrovacího klíče, který je sítí spolu s daty přeposílán od odesílatele k příjemci. Japonský odborník na geofyziku vysokých energií, profesor Hiroyuki Tanaka z Ústavu pro výzkum zemětřesení a člen výzkumné skupiny Muographix Tokijské univerzity navrhl a také demonstroval novou metodu, která mnohonásobně zvyšuje čas potřebný k rozlousknutí šifrovacího kódu. Její princip je překvapivý – klíč k dešifrování vytvářejí i přenášejí miony – elektronu podobné elementární částice.

Feynmanův diagram rozpadu mionu na mionové neutrino, elektronové antineutrino a elektron  Kredit: Wikimedia, volné dílo

Všudypřítomné miony umožňují nahlédnout do nedostupných prostor

Stejně jako elektron má mion záporný jednotkový elektrický náboj (−1e), spin ¹⁄₂, ale mnohem větší, téměř 207násobnou hmotnost (105,66 MeV/c²). Mion je nestabilním leptonem, se střední dobou života 2,2 mikrosekund se rozpadá se na elektron a dvě různá neutrina. Protože zemský povrch neustále bombardují mionové spršky, s průměrnou četností 1 mion na centimetr čtverečný každou minutu, je zřejmé, že původ těchto krátce žijících částic musíme hledat relativně blízko nad našimi hlavami. Vznikají ve srážkách molekul horní vrstvy atmosféry s kosmickým zářením – proudem vysoce energetických částic, převážně protonů přilétajících z okolního vesmírného prostoru.

Pokud odesílatel i příjemce mají současně stejné sekvence identických náhodných čísel, mohou sdílet šifrovaná data, aniž by museli sdílet klíč k jejich dekódování. To zabrání útokům typu „hacker uprostřed“ (man-in-the-middle). Miony (μ), které k odesílateli a příjemci přicházejí v podstatě současně, mohou být díky systému COSMOCAT být zdrojem náhodných čísel. Za předpokladu, že jsou zařízení synchronizována, přijímač rozezná, který mionový signál souvisí s jakou příchozí zprávou a může ji odpovídajícím způsobem dekódovat. Kredit: Hiroyuki Tanaka, iScience 26, 2023

Miony prolétávající hmotou v závislosti na její hustotě ztrácejí energii tím, že ionizují atomy, které se jim dostanou do cesty. Průchodem atmosférou klesne jejich předpokládaná počáteční střední hodnota energie - asi 6 GeV - na přibližně 4 GeV, měřeno u hladiny moře. Takže mají dost energie na to, aby prolétaly našimi těly, námi vybudovanými objekty i hluboko do horninového podloží (zdroj). To umožnilo vznik rozvíjejícího se oboru mionové tomografie neboli miografie, jež na základě analýzy rozptylu elektricky nabitých částic v materiálu poskytuje 3D obrazy skrytých částí monitorovaného objektu. Sice zatím jen sporadicky se využívá v geologii, ve stavebném inženýrství, či při archeologických průzkumech, například při pátrání po neobjevených prostorech v pyramidách. Pomocí miografie se zjišťoval také stav reaktorů po havárii v jaderné elektrárně ve Fukušimě (zde a zde).

Některé příklady použití systému COSMOCAT. Je vhodný pro lokální sítě, například interní firemní intranet v rámci jedné budovy. Také pro šifrování dat přenášených vzduchem například bezdrátovým  komunikačním standardem Bluetooth. Kredit: Hiroyuki Tanaka, iScience 26, 2023

Miony generují šifrovací klíče

Již zmíněný profesor Hiroyuki Tanaka miony využil k opačnému účelu – ne k odhalovaní, nýbrž k utajování. Představil systém COSMOCAT (Cosmic Coding and Transfer – kosmické kódování a přenos), který díky neustálému „dešti“ detekovatelných mionů odstraňuje nutnost posílat sítí kromě zakódovaných dat také dešifrovací klíč. V COSMOCATu ho vytvářejí i přenášejí samotné kosmické paprsky. Takže i případně neoprávněného odchycení informací ze sítě, je pro hackera nemožné je rozluštit a to ani s pomocí velmi efektivních kvantových výpočtů. Potřeboval by čas příliš dlouhý, aby to vůbec stálo za pokus.

Vzhledem k tomu, že samotná povaha mionového roje omezuje vzdálenost odesílatel – příjemce, je COSMOCAT vhodnější pro lokální sítě v rámci jednotlivých objektů. Například pro firemní intranet, datová centra, nebo komunikace s blízkými inteligentními zařízeními, mezi něž můžou patřit i dálkově ovladatelné nabíjecí stanice pro elektromobily. Základní princip šifrování informací vychází ze zaužívaného systému generování náhodných čísel, které však – a to je to inovativní – vytváří a také jako kód přenáší právě statisticky náhodně přilétající miony.

Autor COSMOCATu, profesor Hiroyuki Tanaka, ředitel miografické výskumné organizace Muographix Tokijské univerzity Kredit: Muographix

Z mediální zprávy vydané Tokijskou univerzitou lze vydedukovat, že počítače odesílatele i příjemce musí být správně synchronizované a připojeny k vlastním, detektorům, protože v rozkódování datových paketů hraje důležitou roli jejich vzdálenost a čas příletu mionů. Dekódovací klíč tak přijímatel získá automaticky z vlastního zařízení. Podle autora, profesora Tanaky, systém lze použít také v bezdrátových komunikačních technologiích, jako jsou Wi-Fi, Bluetooth, bezkontaktní komunikace (NFC) a další. Nabízí větší rychlosti, než umožňují jejich současné šifrovací bezdrátové standardy.

Skeptikům se asi hlavou honí několik protiargumentů a otázek s kritickým podtónem. Jistě. Nejde o technologii využitelnou komerčně, a to minimálně v době dohledné. Detektory jsou složité, drahé, velké a energeticky náročné. Nicméně samotná myšlenka je zajímavá a nám laikům přináší nové informace, které případně můžeme dál dešifrovat hlubším studiem. K dispozici je totiž celý 12stranový odborný článek (17 stran s odkazy) zveřejněný na stránkách iScience (zde).

O mionech z jiného, ale velice zajímavého pohledu – přes experiment Muon g-2. Jeho výsledky na Oslu erudovaně popsal Vladimír Wagner v článku Magnetka mionu míří k nové fyzice, v jehož závěru uvádí: „Zpřesnění určení rozdílu mezi experimentální a teoretickou hodnotou (magnetického dipólového momentu mionu) by tak mohlo poskytnout informaci o vlivu hypotetických nových částic, které ve virtuální podobě ovlivňují vlastnosti vakua okolo mionu a tím i magnetický moment“. O experimentu Muon g-2 je i delší přednáška přímo z Fermilabu.

Literatura

Tisková zpráva Tokijské univerzity, volně dostupný článek na iScience, IBM Newsroom