Co je to kvantový internet a jak funguje?

Síť postavená na kvantové fyzice

Internet, který používáte každý den, přenáší informace jako proudy klasických bitů – jedniček a nul, které se řítí optickými kabely a rádiovými vlnami. Kvantový internet by dělal něco zásadně odlišného: přenášel by informace zakódované v kvantových bitech (qubitech), přičemž by využíval zvláštních pravidel kvantové mechaniky k dosažení úrovně zabezpečení a schopností, které jsou na dnešních sítích fyzicky nemožné.

Na rozdíl od sci-fi zobrazení teleportace se nic fyzicky nepohybuje. Kvantový internet místo toho přenáší kvantové stavy – citlivé informace zakódované v částicích, jako jsou fotony nebo elektrony – mezi vzdálenými body. Principy, které to umožňují, jsou kvantové provázání a kvantová teleportace.

Základ: Kvantové provázání

Kvantové provázání je jev, který je jádrem kvantového internetu. Když jsou dvě částice provázané, jejich kvantové stavy se vzájemně propojí: měření jedné částice okamžitě určí korelovaný stav jejího partnera, bez ohledu na to, jak daleko od sebe jsou. Albert Einstein to proslule nazval „strašidelné působení na dálku“ a bylo to potvrzeno desítkami let experimentů.

Provázání neumožňuje komunikaci rychlejší než světlo – klasické informace musí stále cestovat konvenčními prostředky, aby bylo možné interpretovat výsledky. Vytváří ale sdílené spojení mezi dvěma stranami, které lze odposlechnout. Protože se kvantové stavy při měření nebo zachycení nevratně zhroutí, jakýkoli zásah zanechá detekovatelnou stopu. Tato vlastnost činí kvantové sítě ze své podstaty odolné proti neoprávněné manipulaci.

Jak funguje kvantová teleportace

Kvantová teleportace je mechanismus, kterým se kvantový stav přenáší z jednoho místa na druhé, aniž by se fyzicky odeslala částice, která jej nese. Proces vyžaduje tři věci: provázaný pár částic sdílený mezi odesílatelem a příjemcem, původní qubit, který má být přenesen, a konvenční (klasický) komunikační kanál pro odeslání malého kousku dalších dat.

Odesílatel provede měření, které prováže původní qubit s jeho polovinou provázaného páru, a poté odešle klasický výsledek příjemci. Příjemce použije tento výsledek k aplikaci korekce na svou provázanou částici, čímž dokonale rekonstruuje původní kvantový stav. Původní qubit je v tomto procesu zničen – žádné kvantové informace nejsou duplikovány, což je známé jako teorém o zákazu klonování.

Problém vzdálenosti: Kvantové opakovače

Běžné optické sítě používají elektronické zesilovače k posílení signálů na velké vzdálenosti. To je v kvantové síti nemožné: zesílení qubitu by vyžadovalo jeho zkopírování, což kvantová mechanika zakazuje. Fotony nesoucí kvantové stavy jsou jednoduše absorbovány vláknem po zhruba 100 kilometrech.

Řešením je kvantový opakovač – specializovaný uzel, který rozšiřuje provázání na velké vzdálenosti, aniž by kdy qubit kopíroval. Opakovače fungují tak, že rozdělí dlouhou trasu na kratší segmenty, nezávisle na sobě vytvoří provázání nad každým segmentem a poté pomocí procesu zvaného výměna provázání sloučí tyto segmenty do jediného provázaného spojení typu end-to-end. Podle týmu kvantových technologií Amazon Web Services je budování spolehlivých kvantových opakovačů všeobecně považováno za ústřední inženýrskou výzvu, která stojí mezi dnešními experimenty a fungujícím globálním kvantovým internetem.

Nedávné milníky

Pokrok se v posledních letech zrychlil. Koncem roku 2024 inženýři z Northwestern University demonstrovali kvantovou teleportaci přes 30kilometrový optický kabel, který současně přenášel klasický internetový provoz rychlostí 400 gigabitů za sekundu – což dokazuje, že kvantová a konvenční data mohou koexistovat ve stejné infrastruktuře.

Začátkem roku 2025 výzkumníci z Fraunhoferova institutu pro laserovou technologii v Německu a TNO v Delftu aktivovali první funkční uzel kvantového internetu v Cáchách, čímž vytvořili regionální kvantová spojení mezi Cáchami, Jülichem a Bonnem. Samostatně týmy z univerzit v Paderbornu a Stuttgartu dosáhly první kvantové teleportace mezi dvěma různými kvantovými tečkami – což je zásadní krok k budování škálovatelných opakovačových sítí pomocí polovodičových zařízení.

Co by kvantový internet umožnil

Nejbezprostřednější aplikací je kvantová distribuce klíčů (QKD): generování šifrovacích klíčů, které je matematicky nemožné odposlechnout bez detekce, protože jakékoli odposlouchávání naruší kvantové stavy a spustí alarm. Vlády, banky a provozovatelé kritické infrastruktury jsou nejhorlivějšími ranými uživateli.

Kromě zabezpečení by kvantový internet propojil vzdálené kvantové počítače do kolektivu, který dalece přesahuje to, čeho by mohl dosáhnout jakýkoli jednotlivý stroj. Umožnil by také ultra-přesné kvantové snímání – sítě provázaných atomových hodin nebo gravitačních senzorů by mohly detekovat signály příliš slabé pro jakýkoli klasický přístroj.

Jak daleko jsme?

Výzkumníci popisují vývoj kvantového internetu v etapách, od jednoduchých QKD spojení (již komerčně dostupných na krátké vzdálenosti) až po plně provázanou globální síť. Kvantová internetová iniciativa Evropské unie si klade za cíl provozuschopnou celoevropskou kvantovou síť do konce 30. let. Skutečně globální kvantový internet s interkontinentálními řetězci kvantových opakovačů je pravděpodobně ještě vzdálenější – ale základní průlomy se dějí právě teď, jeden provázaný foton po druhém.