Komputery kwantowe zmienią świat biznesu. Jak przygotować firmę?

Komputery kwantowe już są, działają – i są wykorzystywane w biznesie. To dobry moment, by przygotować bezpieczeństwo i finanse firmy na „kwantową rewolucję”.

Na naszych oczach rozpoczyna się proces, który całkowicie przedefiniuje kilka prostych pojęć, takich jak komputer, wydajność, szyfrowanie czy bezpieczeństwo danych. To dopiero początek, wczesna faza rozwojowa urządzeń kwantowych, które nie do końca zasługują jeszcze na miano komputerów. A jednak trzeba brać pod uwagę fakt, że są już one wykorzystywane. To dobry moment, by przygotować swoją firmę i swoje finanse na nadchodzącą „kwantową rewolucję”.

Jak działa komputer kwantowy?

Tak samo jak w przypadku wielu innych zagadnień z obszaru fizyki kwantowej łatwiej zdefiniować, czym komputer kwantowy… nie jest. Charakteryzując go, zajmująca się fizyką kwantową prof. Shohini Ghose, użyła kiedyś trafnego porównania do świeczki i żarówki. Tradycyjne, współczesne komputery osobiste to właśnie świece. I choćbyśmy stanęli na głowie i stworzyli superkomputery zajmujące całe piętra budynków, pobierające prąd na poziomie małego miasta i dysponujące niesamowitą mocą obliczeniową – to nadal będą to świece. Bardzo duże, bardzo jasne, ale tylko świece.

Komputery kwantowe działają natomiast na zupełnie innej zasadzie, podobnie jak żarzący się drucik wolframowy to zupełnie co innego niż płonący knot. Wykorzystują prawa mechaniki kwantowej, diametralnie różniące się od mechaniki klasycznej. Ta ostatnia nie radziła sobie bowiem z opisem sposobów funkcjonowania cząstek elementarnych. I jeszcze jedno jest w tym porównaniu trafne – wprowadzenie żarówek pociągnęło za sobą przeorganizowanie sposobu funkcjonowania całego społeczeństwa. Podobne zjawisko będziemy obserwować w kontekście komputerów kwantowych – a nawet już jest ono widoczne.

Trudność w skonstruowaniu tego typu komputera polega przede wszystkim na opracowaniu algorytmu kwantowego. Algorytmu, który w trakcie celowej analizy konkretnego problemu obliczeniowego odpowiednio wykorzysta podstawową kwantową jednostkę informacji – kubity. Różnią się one od komputerowych bitów tym, że oprócz wartości skrajnych (0 lub 1) pokrywają także pełen zakres stanów pośrednich. Tym samym kubit niesie ze sobą znacznie więcej informacji niż bit, dzięki czemu wydajność komputera kwantowego może być wielokrotnie wyższa. Ale nie tylko o wydajność tu chodzi. Dzięki operowaniu na stanach pośrednich komputery kwantowe osiągają znacznie lepsze wyniki w obliczeniach, z którymi tradycyjne „zero‑jedynkowe” komputery po prostu sobie nie radzą.

Czy komputery kwantowe już istnieją?

Umówmy się, że tak jest, choć wszystko zależy od tego, jak zdefiniujemy ten termin. Wbrew pozorom odpowiedź na to pytanie może być dość skomplikowana. Skonstruowanie „pierwszego na świecie komputera kwantowego” ogłaszane było bowiem wielokrotnie, po czym zwykle znajdowali się później naukowcy, którzy kwestionowali „kwantowość” kolejnych urządzeń lub też stwierdzali, że były to działające systemy kwantowe, które ciężko jednak określić mianem komputera. Zachodziło też w różnych przypadkach podejrzenie, że mamy do czynienia z emulacją działania komputera kwantowego, a nie jego realnym istnieniem i działaniem.

Tę niejasną do końca sytuację niektórzy porównują do II wojny światowej i kodów służących do rozszyfrowywania maszyny Enigma. Znalazły się one w posiadaniu aliantów, ale informacja o tym była najściślej strzeżoną tajemnicą. Tak tajną, że alianci przez dłuższy czas pozwalali na zatapianie amerykańskich statków płynących do Wielkiej Brytanii. Tylko dlatego, by Niemcy niczego się nie domyślili.

Komputery kwantowe również mogą stanowić swego rodzaju „broń”, wykorzystywaną przez instytucje rządowe i prywatne organizacje. Broń – oczywiście – tajną, dlatego pewnych rzeczy możemy się tylko domyślać. Na domysłach bazuje chociażby relacja między komputerami kwantowymi a kryptowalutami i technologią blockchain. Wystarczy wspomnieć, co powiedział ekspert i propagator kryptowalut Andreas Antonopoulos. Na pytanie, czy NSA (Agencja Bezpieczeństwa Narodowego USA) dysponuje komputerami kwantowymi, które byłyby w stanie złamać zabezpieczenia bitcoina, odrzekł: „Tak, ale nie użyłaby ich do tego celu”. Cóż, oficjalnie tego nie wiemy i możemy tylko gdybać. Gdybać nie tylko na temat tego, jak wydajnymi maszynami kwantowymi dysponuje NSA, ale nawet czy w ogóle je posiada.

Komputery kwantowe w biznesie

Wróćmy jednak do tej części „kwantowej góry lodowej”, która oficjalnie wystaje nad powierzchnię oceanu i związana jest z biznesem. Na początku 2019 roku IBM ogłosił wprowadzenie na rynek pierwszego na świecie systemu kwantowego udostępnionego do użytku komercyjnego – IBM Q, zbudowanego na bazie 20‑kubitowego chipa kwantowego. Jedną z jego zalet jest to, że stanowi on zwarty, samodzielny komponent, który da się zintegrować z istniejącym systemem komputerowym firmy.

Warto jednak mieć świadomość, że świat biznesu używał technologii kwantowych od lat. Już w 2011 roku Lockheed Martin kupił na przykład „komputer kwantowy” wyprodukowany przez D‑Wave Systems. Zapłata w wysokości 10 mln dolarów obejmowała również obsługę urządzenia i opracowanie algorytmów, które pozwolą je odpowiednio wykorzystać. Najwięksi międzynarodowi gracze chętnie wykorzystują komputery/urządzenia kwantowe, zwłaszcza przy zagadnieniach związanych z symulacją zachowania się materiałów, związków chemicznych i leków, a także… do przewidywania pogody.

Obecnie jednak – za sprawą IBM, a niedługo zapewne także innych firm, takich jak Amazon, Google, Microsoft, Rigetti czy IonQ – dostęp do możliwości oferowanych przez technologie kwantowe staje się bardziej powszechny. Również w przypadku mniejszych przedsiębiorstw.

Zagrożenie dla bezpieczeństwa danych

Te same cudowne możliwości obliczeniowe komputerów kwantowych, które firmy mogą wykorzystać do rozwijania swojego biznesu, stanowią też dla nich zagrożenie. Już w 1994 roku Peter Shor opracował algorytm, który pozwala – z użyciem urządzenia kwantowego – na szybkie złamanie używanych powszechnie algorytmów szyfrujących. Należą do nich m.in. algorytm Rivesta‑Shamira‑Adlemana (RSA), protokół Diffiego‑Hellmana czy techniki z grupy Elliptic Curve Cryptography (ECC). Problem polega na tym, że chodzi tu o podstawowe narzędzia kryptograficzne, zabezpieczające współcześnie transakcje bankowe, łączność internetową, zdalne połączenia czy komunikację e‑mailową. Komputery kwantowe mocno osłabiają ich użyteczność.

Na szczęście obecnie rozwijane są dwie metody zabezpieczeń przed ryzykiem związanym ze złamaniem zabezpieczeń przy użyciu komputerów kwantowych. Pierwsza z nich to kryptografia kwantowa, z jej najpopularniejszym zagadnieniem: kwantową dystrybucją klucza (QKD). Ponieważ bazuje ona na mechanice kwantowej, tajny klucz służący do szyfrowania i odszyfrowywania danych przekazywany jest w sposób absolutnie bezpieczny. Dodatkową zaletą tej metody jest też całkowita wykrywalność prób podsłuchania/przejęcia klucza. Wynika to z faktu, że próba dokonania pomiaru układu kwantowego przez kogoś, kto nie jest stroną transakcji, automatycznie zaburza ten układ.

Inną rozwijaną obecnie metodą jest wykorzystanie klasycznych algorytmów kryptograficznych, ale „odpornych” na komputery kwantowe – bezpiecznych kwantowo. Bazują one na problemach matematycznych, które uważane są za niezwykle trudne do rozwiązania z wykorzystaniem komputerów kwantowych (tak samo, jak i klasycznych).

Zaletą tej drugiej metody jest to, że może być wykorzystana w ramach istniejącej infrastruktury komputerowej. Dlatego warto się nią zainteresować w pierwszej kolejności. Stanowi ona najwyższy stopień wykorzystywanych współcześnie zabezpieczeń, takich jak protokół TLS (Transport Layer Security). Jest tylko jedno „ale”…

Jak przygotować firmę na kryptografię bezpieczną kwantowo?

Na początku zła wiadomość: proces standaryzacji metod kryptografii bezpiecznej kwantowo nie został jeszcze zakończony. Prace nad tym projektem prowadzi m.in. amerykański Narodowy Instytut Standaryzacji i Technologii (NIST) – niedawno ogłoszona została druga runda analizy węższej grupy zgłoszonych technologii kryptograficznych. Dlatego nie da się obecnie – tak po prostu – zastosować w firmie lepszych zabezpieczeń kryptograficznych bezpiecznych kwantowo. Są jednak inne działania, które współczesne przedsiębiorstwa powinny podjąć już dziś:

1. Zarządzaj swoimi danymi

Uporządkuj swoje dane, identyfikując miejsce lub miejsca ich przechowywania i sposoby, w jaki są chronione. Nadaj swoim danym różne sposoby ważności i wyodrębnij swoje najcenniejsze dane. Sprawdź, w jaki sposób są one wykorzystywane w ramach twojej organizacji i czy (w jaki sposób) udostępniane są poza nią.

2. Kontroluj wykorzystywane metody szyfrowania

Sprawdź, jakie metody zabezpieczania danych są wykorzystywane obecnie w twojej firmie. Zrób to dokładnie. Zidentyfikuj sprzęt wykorzystywany w zabezpieczaniu i przesyłaniu danych. Dowiedz się, jakie protokoły i algorytmy kryptograficzne są aktualnie używane. Zbadaj zabezpieczenie poszczególnych aplikacji i systemów, zwłaszcza pod kątem wyszukania elementów starszych technologicznie, słabiej zabezpieczonych.

3. Popraw zwinność swojej firmy w zakresie kryptografii

Wyodrębnij zagadnienia związane z zabezpieczaniem danych jako oddzielny projekt dla osób odpowiedzialnych za IT w twojej firmie. Wyznacz im dwa cele – doprowadzenie poziomu zabezpieczeń do maksimum dostępnego w ramach obecnych technik kryptograficznych oraz poznanie zagadnień związanych z komputerami kwantowymi.

Zadbaj o odpowiednio częste szkolenia i ewentualną wymianę części ekspertów z działu IT, tak aby szybko reagować na nowe standardy obowiązujące w kryptografii.

4. Zwiększ kompetencje pracowników w zakresie kryptografii i technologii kwantowych

Zaoferuj wszystkim pracownikom materiały edukacyjne i szkolenia na temat kryptografii i obliczeń kwantowych. Poszukaj też zewnętrznych organizacji lub firm, które specjalizują się w zagadnieniach związanych z kryptografią i komputerami kwantowymi – i zacznij z nimi współpracować.

Najważniejsze: zacznij już teraz

Choć komputery kwantowe nadal znajdują się jeszcze na etapie rozwoju (i to dość wczesnego), warto przygotować się na związane z nimi korzyści i zagrożenia. W dłuższym okresie twoja firma tylko na tym skorzysta. Będzie lepiej zabezpieczona przez atakami kwantowymi i innego rodzaju zagrożeniami, a jednocześnie sprawniej wykorzysta możliwości oferowane przez komputery kwantowe. To technologia jutra, jednak najwięcej zyskają ci, którzy zajmą się nią już dziś.