Prof. Artur Ekert jest współodkrywcą nowej dziedziny nauki - kryptografii kwantowej. Studiował na UJ, a od końca lat 80. XX wieku związany jest z Uniwersytetem Oksfordzkim. W 2019 r. szwedzka agencja prasowa podała informację, że prof. Ekert jest wymieniany jako jeden z kandydatów do Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki. Warszawę odwiedził w związku z powołaniem Klastra Technologii Kwantowych - Klaster Q w Centrum Nowych Technologii UW.

PAP: Czy kryptografia kwantowa wywoła rewolucję na kształt tej związanej z maszynami na parę i elektrycznością? Czy to jest po prostu podnieta intelektualna?

Prof. Artur Ekert: Na pewno jest w tym element podniety intelektualnej. Sama kryptografia kwantowa chyba nie wywoła takiej rewolucji, ale kwantowe technologie być może tak – one zmienią świat. I mówię to, starając się jednocześnie nie przesadzać z entuzjazmem. Możliwości zjawisk kwantowych mają potencjał taki, jak kiedyś elektryczność. Wtedy też nie było jasne, do czego ona może służyć.

Dzisiaj widać, że część z tych technologii jest wykorzystywana w kryptografii kwantowej albo jest częścią super precyzyjnych detektorów – sensorów. Korzysta z tego kwantowa metrologia – są dzięki temu możliwe różne pomiary czasu, częstotliwości, pola grawitacyjnego i magnetycznego.

Pomiar pola grawitacyjnego może być tak precyzyjny, że z powodzeniem będzie wykorzystywany do szukania minerałów. Technologie kwantowe pomagają też sterować urządzeniami tam, gdzie nie ma dostępu do satelity – np. pod wodą, bo wyczuwają różnice w polu grawitacyjnym. Wszystko dzięki temu, że każde miejsce wytwarza nieco inne pole grawitacyjne, ale my tego nie czujemy, bo te różnice są bardzo małe.

PAP: A co z komputerami kwantowymi?

Prof. A.E.: Jeszcze ich nie ma – wbrew temu, co czasami można przeczytać w mediach. W tym temacie jest dużo szumu informacyjnego. Ale kiedy już powstaną, być może faktycznie nastąpi przewrót. Bo tu nie chodzi tylko o znacznie lepszą moc obliczeniową. I nie chodzi wcale o szybkość obliczenia, bo poszczególne bramki logiczne wcale nie będą szybciej pracowały. Chodzi o możliwość tworzenia zupełnie innych algorytmów w komputerach kwantowych. Zestaw instrukcji, które ma komputer kwantowy, jest znacznie większy od zestawu, który ma klasyczny komputer.

PAP: Czy to oznacza, że komputery kwantowe będą wypierały zwykłe komputery? O to jest ten wyścig?

Prof. A.E.: Niekoniecznie. Wyścig jest o to, że komputery klasyczne mają swoje ograniczenia. Wiadomo, że jest grupa problemów, które są super trudne dla komputerów klasycznych – niezależnie od tego, jak szybkie one są. Specjaliści z obszaru 'computer science' badają stopień złożoności różnych algorytmów i wiadomo, że problemy, które są do rozwiązania, dzielą się na łatwe i trudne. Na tym bazują różnego rodzaju szyfry.

PAP: Komputery kwantowe będą zarezerwowane do szybkich obliczeń?

Prof. A.E.: Będą bardziej wydajne. Będą zarezerwowane do pewnych obliczeń, gdzie klasyczne komputery nie mają dobrych algorytmów. Problem nie polega na szybkości samej w sobie. Do rozwiązania problemu potrzeba algorytmu. Algorytmy dzielą się na takie, które są wydajne – szybkie, i takie, które nie są wydajne.

PAP: Czyli to nie jest kwestia komputera, tylko napisania dobrego algorytmu.

Prof. A.E.: Dokładnie. Postęp w tej dziedzinie polega na tym, że ktoś wymyśla następny algorytm, który jest wydajny. Ale czasami są takie problemy, nad którymi ludzie myślą długi czas i nie są w stanie znaleźć wydajnego algorytmu. Nawet nie wiedzą, czy on istnieje. I w pewnym momencie przychodzą komputery kwantowe. Ich siła polega na innym zestawie instrukcji. Każdy algorytm składa się z instrukcji. Lista instrukcji, którą może robić komputer kwantowy, jest większa – jest nadzbiorem.

Są więc pewne instrukcje, których klasyczny komputer nie zrozumie, bo nie ma zjawiska fizycznego, które by realizowało tę instrukcję. Inne instrukcje stwarzają możliwość tworzenia zupełnie innych algorytmów. Te algorytmy nie dominują w sensie prymitywnej prędkości, tylko są „mądrzejsze”.

PAP: Jakie będą tego skutki?

Prof. A.E.: Komputer kwantowy odbierze nam bezpieczeństwo pewnych szyfrów klasycznych. Jak zamawiam książkę na Amazonie, to chroni mnie matematyka. Jeśli pojawią się komputery kwantowe, to ten szyfr będzie łatwy do złamania. Obecnie jest to duży problem. National Security Agency w USA doskonale sobie zdaje sprawę, że choć komputer kwantowy jeszcze nie istnieje, to już trzeba myśleć, jak ochronić te szyfry. Trzeba się przygotować, bo chcemy, by pewne dane - które są zaszyfrowane dzisiaj – były tajne jeszcze za 100 lat. Myśli się o tym, jak skonstruować klasyczne szyfry nowej generacji, które byłyby odporne na ataki ze strony komputerów kwantowych. Kryptografia kwantowa jest odporna na te ataki, ale nie zastąpi ona wszystkich metod kryptograficznych, które obecnie stosujemy. Jest więc sens szukać nowych, klasycznych rozwiązań.

PAP: Ale to Pana podejście do kryptografii kwantowej zyskuje na popularności.

Prof. A.E.: Przyznam, że jestem tym trochę zaskoczony. To był efekt mojego doktoratu w Oxfordzie. Nigdy nie myślałem, że kiedykolwiek przełoży się to na praktykę. Wykorzystałem pomysł, który bazował na ‘nierówności Bella’ – twierdzeniu sformułowanym przez Johna Stewarta Bella w 1964 r. Bell, który pracował w CERN-ie, wykonał eksperymenty, które pokazały, że nie ma innej, głębszej teorii, niż mechanika kwantowa, a przypadkowość jest inherentna.

Ja wykorzystałem ten argument. Stwierdziłem, że jeśli to prawda, to można użyć kryptografii kwantowej – z wykorzystaniem fotonów – do sprawdzania, czy jakiś system jest podsłuchiwany. Wykorzystałem narzędzia, które wcześniej zostały opracowane na potrzeby filozofów. Tylko że ja to wykorzystałem do bardziej praktycznych celów: do przesyłania informacji.

Było to dużym zaskoczeniem dla samego Bella, jak mu o tym powiedziałem. Nie wierzył, że jego teoria może mieć praktyczne zastosowanie. Tuż przed śmiercią polecał ludziom, żeby na co dzień zajmowali się czymś innym, a ‘nierówność’, potraktowali jako hobby. Zresztą on sam ‘nierównością’ zajął się hobbystycznie. W CERN-ie zatrudniony był do projektowania akceleratorów do cząstek elementarnych. Tymczasem po śmierci jest kojarzony głównie ze swoją „nierównością”. Czasami jesteśmy znani z tego, za co nam nie płacą.

PAP: Pana odkrycie na nowo przypomina, że kto ma informację, ten ma władzę.

Prof. A.E.: Trochę tak. Jeśli zrobimy jakieś wdrożenie, które posłuży w złym celu – to informacje będą nie do podsłuchania. Oczywiście są też pozytywne scenariusze – kryptografia może być zastosowana do ochrony podpisów elektronicznych i weryfikacji danych.

Kryptografia kwantowa zajmuje się głównie przesyłaniem danych z jednego miejsca do drugiego. Więc ona nie zastąpi do końca wszystkich aspektów kryptografii ochrony danych, które mamy obecne. Ale może zastąpić wiele z nich. Ci, którzy rozwiną technologie kwantowe, będą mieli przewagę. W trakcie badań widziałem, że służby były zainteresowane złamaniem rozwiązań, opracowanych dzięki kryptografii kwantowej. Bo jeśli wpadną one w ręce terrorystów, ich monitorowanie stanie się niemożliwe.

PAP: Chce Pan powiedzieć, że powstanie "Pegasus", którego nikt nie wykryje?

Prof. A.E.: Nie, to nie jest tego typu technologia. Służby mogą jedynie być zainteresowane metodami szyfrowania trudnymi do złamania.

PAP: Czy technologie kwantowe faktycznie mogą odegrać znaczącą rolę w obronności kraju?

Prof. A.E.: Kryptografia pewnie jeszcze nie, ale metrologia kwantowa już tak – czyli lepsze czujniki i sensory. Ale metrologia ma zastosowanie zarówno w obronności, jak i w medycynie. Precyzyjne elementy pomiarowe mogą służyć do różnych rzeczy.

PAP: Czy dopadła już Pana myśl na wzór tej, która przeraziła Einsteina, kiedy dowiedział się o budowie bomby atomowej? Technologia wykorzystana teoretycznie w celach obronnych realnie zagrażała życiu na ziemi.

Prof. A.E.: Kryptografia kwantowa to nie jest bomba atomowa. Kryptografia kwantowa stworzy wiele możliwości, ale wydaje mi się, że będzie z tego więcej dobrego, niż złego. Zawsze można stworzyć scenariusz bardzo pesymistyczny. Wykorzystując elektryczność, można robić lampy - i krzesła elektryczne. Do tej pory nikt nie użył kryptografii kwantowej do takich celów, żebym się czuł moralnie odpowiedzialny za coś złego.

PAP: Chińczycy już korzystają z Pana odkrycia. Kryptografia kwantowa była też wykorzystywana na Igrzyskach Olimpijskich w Tokio do komunikacji. Nie pożałował Pan, że nie postarał się o patent?

Prof. A.E.: Nie. Mój pomysł był zbyt ogólny. Wiele osób po mnie nadało mu kształt. Byłem rzeźbiarzem, który zaledwie wziął dłuto do ręki, ale inni dokończyli projekt. Jestem zwolennikiem otwartego dostępu. Ważne jest, żeby do pomysłów dostęp mieli ludzie z zewnątrz. Zamknięcie drzwi od laboratorium odcina również od wiedzy, która gromadzi się na zewnątrz. Twórcy kryptologii to rozumieją. Lepiej upublicznić metodę szyfrowania, bo cały świat, który będzie to śledził, szybko wskaże jego słabe punkty. Taka krytyka jest bardzo twórcza.

PAP: Krytyka pozwoli też na szybkie wdrożenie zabezpieczeń, jeśli wykryte zostaną nieuprawnione ruchy.

Prof. A.E.: Dokładnie.

PAP: Jest Pan współtwórcą nowego obszaru wiedzy: informacja kwantowa. To jest synergia aż sześciu dziedzin nauki: fizyki, fizyki kwantowej, teorii informacji, kryptografii, informatyki i inżynierii. Z tego można stworzyć niezliczoną liczbę połączeń.

Prof. A.E.: Zgadza się. To niezwykle interdyscyplinarna dziedzina. Są tam też elementy filozofii i fizyki teoretycznej. Na początku było nam niezwykle trudno, bo informatycy i fizycy nie potrafili znaleźć wspólnego języka. Informatycy musieli się nauczyć zjawisk kwantowych, a fizycy musieli się nauczyć teorii informacji. Sama obserwacja tego, jak tworzy się nowy język, była fascynująca. Najciekawsze rzeczy dzieją się na styku dyscyplin naukowych. Problem polega na tym, że zdobywanie pieniędzy na takie badania ciągle jest bardzo trudne. Projekty są odbijane od komisji przydzielających granty – jak piłeczka pingpongowa.

PAP: Który styk między dyscyplinami interesuje Pana najbardziej?

Prof. A.E.: Natura przypadkowości. Zadaję sobie pytanie, czy jest inherentna czy nie. Jest w tym trochę matematyki, fizyki i filozofii.

PAP: Skąd czerpał Pan inspirację?

Prof. A.E.: Z historii nauki. Roger Penrose opowiedział mi kiedyś o Włochu – Girolamo Cardano, który był człowiekiem renesansu. Dziwiło go (Penrose'a - PAP), że jedna osoba wynalazła liczby zespolone i rachunek prawdopodobieństwa. Pod wpływem tych słów przyjrzałem się biografii Girolamo Cardano. To było bardzo odkrywcze.

Kolejny raz potwierdza się angielskie powiedzenie, że postęp w nauce polega na stawaniu na ramionach poprzednika. Zdecydowanie.

PAP: Jednak łączenie kryptografii kwantowej z filozofią brzmi odjazdowo.

Prof. A.E.: Zgadam się – to jest odjazd. Filozofowie poczuli się dowartościowani moim odkryciem. Bo fizycy zawsze patrzyli z góry na filozofów – to byli ci, co nie potrafią pisać równań. Mówiło się, że filozofowie są kreowani na idoli intelektualnych, a przecież często z tego ich gadania nie dało się wiele wycisnąć. Kiedy w swojej pracy pokazałem, że rozważanie na temat: czy coś istnieje (które było częścią „nierówności Bella”), ma zastosowanie w fizyce, to było ekscytujące dla wszystkich.

PAP: Zbudował Pan odkrycie na niepewności.

Prof. A.E.: Tak. Moim punktem wyjścia było to, że informacja jest fizyczna. Nie jest abstrakcyjnym tworem. Zawsze jest w czymś zakodowana – w polu magnetycznym, w fotonie, który ma polaryzację, czy w czymś innym. Podsłuch polega na tym, że coś mierzysz. Jak zmierzysz – przestaje być przypadkowe. W związku z tym ‘nierówność Bella’ pomaga zmierzyć, czy coś było przypadkowe wcześniej – czy nie.

PAP: Jak będzie wyglądała ta technologia kwantowa za pięć lat?

Prof. A.E.: Okrzepnie kryptografia kwantowa. Będziemy korzystali z sensorów kwantowych, ale nie będziemy mieli jeszcze komputera kwantowego. Bo to jest zbyt skomplikowana technologia. Komputer kwantowy ma zbyt dużo elementów, które muszą płynne ze sobą współpracować. Np. precyzyjne kontrolowanie atomu, by przesunął się z pewną dokładnością. Za pięć lat ciągle nie będziemy mieli do tego technologii. Mamy materiały, ale nie mamy metod.

PAP: Jakim tematem będzie się Pan teraz zajmował?

Prof. A.E.: Będę rozwijał temat przypadkowości. Chcę się dowiedzieć, czy Einstein miał rację twierdząc, jak coś jest nieprzewidywalne - to tylko dlatego, że nam brakuje informacji. Uważał, że zawsze istnieje teoria, która objaśni przypadkowość – potrzeba jedynie czasu, by ją odkryć.

Mnie zawsze interesowały nauki podstawowe – jej rozwijanie dawało mi frajdę. Nigdy nie byłem dobry w tworzeniu wizji produktu, by można go było sprzedać i zarobić pieniądze. Ale widzę ludzi, którzy są w tym dobrzy – i dobrze, że oni są. Ja nie jestem dobry w tworzeniu relacji z biznesem i raczej zostanę przy badaniach podstawowych. To zupełnie inny sposób myślenia – on miał pewnie duży wpływ na to, że sięgnąłem po filozofię.

PAP: To dlatego, że wierzy Pan, że nie każde badanie podstawowe powinno być przechwycone przez biznes?

Prof. A.E.: Nie mam nic przeciwko robieniu badań, które a priori nikomu się nie przydadzą. To nieodłączny element rozwoju nauki. (PAP)

Autorka: Urszula Kaczorowska

uka/ zan/