Leden 2004

Nová zbraň z fyzikálních laboratoří

Martin Uhlíř

Kvantové počítače mohou rozluštit šifry, na kterých stojí elektronický obchod, obrana, špionáž a další důležité oblasti. Zatím jsou v plenkách. Ale jestli z nich vyrostou, přidělají leckomu vrásky na čele. Počítají totiž nebezpečně rychle. Kvantová fyzika už stvořila atomovou a vodíkovou bombu. Nyní slibuje další superzbraň. Současný svět je založen na elektronické výměně informací. Ty musejí být určitým způsobem zabezpečeny. Pokud ale vznikne výkonný kvantový počítač, zařízení schopné řešit některé speciální matematické úlohy, dnešní kódy před ním neobstojí. "Kvantové počítače by ohrozily naše soukromí, zastavily elektronický obchod a zničily koncept národní bezpečnosti. Země, která je vyvine jako první, získá schopnost monitorovat komunikaci občanů, číst myšlenky svých obchodních rivalů a naslouchat plánům nepřátel," uvádí britský fyzik a známý publicista Simon Singh v nedávno vydané Knize kódů a šifer.

Jak je to možné? Zkusme vysvětlení nastínit pomocí několika podivných příběhů. Vystupují v nich osudově spojená dvojčata a uvězněné kočky. Alici a Boba dělily miliony světelných let. Zatímco Alice žila na Zemi, její bratr Bob přebýval ve vzdálené galaxii. Jednoho dne Bůh hodil kostkami, pohlédl na Alici a spatřil, že má hnědé vlasy. A věděl, že právě v tu chvíli nabyly stejné barvy také vlasy Bobovy. Z poznatků kvantové fyziky vyplývá, že vlastnosti Alice a Boba mohou být tajemně svázány bez ohledu na to, jaká vzdálenost oba sourozence dělí. Pochopitelně pouze v mikrosvětě, v němž lze tímto způsobem nerozlučně spojit částice či fotony. Umožňuje to zvláštní jev, který znepokojoval už Alberta Einsteina. Jeden z nejpodivnějších úkazů vůbec se jmenuje kvantově provázané stavy.

Slavný rakouský fyzik Anton Zeilinger přirovnává fotony v provázaném stavu ke dvojčatům, která mají stejnou barvu vlasů, očí, stejný tvar nosu. Všechny tyto vlastnosti však dvojčata získala až v okamžiku, kdy se na ně někdo podíval. Předtím žádné vlastnosti neměla. Osudově propojení kvantoví sourozenci by dokázali nesmírně zrychlit určité výpočty. Mohli by se stát jádrem kvantových počítačů.

Na co Usáma nepřišel

Kvantový počítač si nelze představovat jako obyčejné "pécéčko", o které zakopáváme v každé kanceláři. Je to složitá fyzikální aparatura, dokonale izolovaná od vnějších vlivů. Jejím srdcem může být například nádoba naplněná molekulami, jejichž vlastnosti ovlivňujeme a měříme. Tyto systémy mají za sebou stěží první dětské krůčky. Přesto neunikly pozornosti vojenských kruhů. Jejich vývoj finančně podporuje například americká armáda.

Princip luštění bezpečnostních kódů není nijak složitý. Klíč k sestavení určitých šifer je volně dostupný na internetu. Říká se mu proto veřejný. Každý si jej může přečíst a vytvořit pomocí něj tajné poselství, jež nikdo nepovolaný nevyluští. Byl by to skvělý nástroj třeba pro Al Kajdu; ta jej ovšem kupodivu v minulosti nevyužila, dala přednost jiným šifrám, které se rozluštit podařilo. Veřejný klíč je založen na čísle nazvěme jej třeba X - vzniklém jako součin dvou prvočísel. Představme si, že muži Usámy bin Ládina se k metodě veřejného klíče přece jen uchýlí a zakódují pomocí ní určitou zprávu. Bezpečnostní agent chce jejich tajné poselství vyluštit a pomocí internetu číslo X odhalí. Ale dokud nezná ona dvě prvočísla, není mu to nic platné. Použije tedy klasický počítač k tomu, aby X na původní prvočísla rozložil. A zjistí, že computer bude pracovat, řekněme, deset miliard let. Dost času pro teroristy. Kvantový počítač o určité kapacitě by však mohl stejnou úlohu zvládnout podstatně rychleji. Číslo X by "rozlouskl" třeba za den. A nejde jen o teroristy. Na šifrách s veřejným klíčem stojí elektronický podpis, internetové bankovnictví, špionáž - zkrátka výměna tajných informací.

Kvantové počítače ale nepředstavují jen hrozbu. Dokázaly by také řešit některé vědecké problémy. Například zkoumat skryté vlastnosti hmoty. Badatelé by s jejich pomocí modelovali chování složitých systémů skládajících se z mnoha částic. "Kvantový počítač o kapacitě, řekněme, čtyřicet či padesát kvantových bitů by nám umožnil provádět výpočty a simulovat procesy, na něž současná výpočetní technika nestačí. Neočekáváme ovšem, že by byl sestrojen v příštích deseti či patnácti letech," uvádí dr. Jaromír Fiurášek, čerstvý laureát nové české ceny udělované mladým teoretickým fyzikům. Nejdokonalejší současný kvantový počítač, sestrojený firmou IBM, má sedm kvantových bitů. Je založen na měření spinů (zjednodušeně si spin lze představit jako rotaci) sedmi atomových jader, která jsou součástí jedné složité molekuly. Podle dr. Ladislava Andreye z Ústavu informatiky AV ČR zařízení funguje při pokojové teplotě. Vědci je ovládají pomocí magnetického pole a rádiových vln.

"Živomrtvá" kvantová kočka

Proč mohou být kvantové počítače budoucnosti tak rychlé? Fyzik Edwin Schrödinger vysvětloval zvláštnosti kvantového světa pomocí kočky, uzavřené v krabici spolu s nějakým smrtícím mechanismem. Může jím být třeba salám ukrývající jedovatou tabletku. Když jsme kočku do krabice zavírali, byla prokazatelně naživu. Co se s ní ale stalo pak? Snědla tabletu a pošla, nebo ji instinkt varoval? Nelze to zjistit, dokud krabici neotevřeme a nepodíváme se. Obyčejný člověk usoudí, že i kočka, na kterou zrovna nevidíme, je buď živá, nebo mrtvá. Pro kvantového fyzika ale může být živá i mrtvá současně - nachází se v superpozici obou stavů. Zní to jako obludná myšlenková konstrukce, ale objekty kvantového světa se tímto způsobem chovají.

Třeba foton jako by procházel dvěma sousedními štěrbinami najednou. Část fyziků to vysvětluje tak, že foton v době, kdy jej "nesledujeme", podstoupil jakési mystické rozdvojení. Jiný tábor tvrdí, že se v bodě, v němž má foton možnost vybrat si štěrbinu, dělí náš vesmír na dva vesmíry a v každém z nich proletí foton jednou z obou štěrbin.

Ať je to, jak chce, faktem zůstává, že kvantové jevy umíme používat je na nich založen třeba laserový paprsek v CD přehrávači. Nebo právě kvantové počítače. Zatímco klasický computer řeší určitý úkol po jednotlivých krocích, jeho kvantový protějšek zvládne všechny kroky naráz. Umožní mu to právě superpozice stavů. (Pokud přijmeme vysvětlení založené na existenci mnoha vesmírů, můžeme říci, že každý z výpočetních kroků probíhá odděleně v jiném univerzu a my je vnímáme jako současné.)

V tradiční výpočetní technice se používá jako jednotka informace bit, tedy možnost nuly nebo jedničky, například vodivý či nevodivý stav. Zmíněná kočka, která je současně živá i mrtvá, reprezentuje jednotku kvantové informace - kvantový bit. Pokud přisoudíme obyčejné živé kočce hodnotu 0, mrtvé hodnotu 1, je kvantová kočka současně nulou i jedničkou. Ovšem ve chvíli, kdy se na kočku podíváme, změní se opět v jedno z těchto čísel - v nulu nebo jedničku. Pomocí jedné "živomrtvé" kočky proto žádnou informaci navíc nemůžeme přenést. Kvantové počítače si ale pomáhají malým trikem, založeným na jevu "osudově spojených dvojčat". Jestliže máme více "živomrtvých" koček, které jsou vzájemně kvantově provázány, situace se mění. Způsobem, jehož vysvětlení je poměrně složité, lze pomocí kvantově provázaného systému přenést více informací než běžnou elektronikou.

Výsledky ovšem nejsou pro tuto chvíli nijak oslnivé. Systém IBM disponující zmíněnými sedmi kvantovými bity dokáže vypočítat pouze to, že číslo 15 je součinem prvočísel tři a pět. Odborníci navíc marně hledají způsob, jak postoupit od sedmi kvantových bitů třeba k dvaceti. Jasná cesta vpřed se zatím nerýsuje. Armády toužící po nadvládě nad světem si budou muset ještě nějaký čas počkat. Ostatně možná jim kvantové počítače nepomohou - kryptografové totiž usilovně pracují na nových, kvantových šifrách. Prý mají být už konečně doopravdy nerozluštitelné.

(Lidové noviny, www.lidovky.cz)