Ne zgodi se pogosto, da bi se morali pred novo tehnologijo zaščititi že leta, če ne desetletja, preden bi jo sploh začeli uporabljati. Varnostni strokovnjaki se že nekaj časa zelo resno sprašujejo o neželenih posledicah prihoda kvantnih računalnikov, čeprav tehnologija za zdaj sploh še ni na voljo. Toda že sama možnost njenega obstoja predstavlja tako veliko grožnjo nekaterim zelo pomembnim sistemom, na katerih temelji delovanje naše civilizacije, da problema preprosto ne moremo prezreti.
Z razvojem interneta in digitalizacijo je postala hitra izmenjava informacij na daljavo nekaj povsem samoumevnega. A za varno delovanje takšne izmenjave podatkov potrebujemo zanesljive in učinkovite metode šifriranja, tako da nekdo, ki na primer prestreže prenos informacij med banko in njenim uporabnikom, ne more ugotoviti, kaj je v teh podatkih, in jih kakorkoli zlorabiti.
Da lahko varno uporabljamo internet, so znanstveniki razvili sisteme šifriranja, ki običajno temeljijo na matematičnih nalogah, ki so asimetrične glede težavnosti. Če na primer poznamo dve veliki praštevili, lahko z računalnikom brez težav izračunamo njun produkt, če pa poznamo le zmnožek dveh velikih praštevil, je zelo težko ugotoviti, kateri sta ti dve praštevili.
Podobne matematične naloge so temelj sistema šifriranja podatkov, ki je podlaga za varno izmenjavo informacij na internetu. Težava pa je, da za kvantne računalnike take naloge niso nujno enako zahtevne kot za klasične računalnike. Nekatere naloge, ki so za klasične računalnike zelo zamudne in računsko zelo zahtevne, so za kvantne računalnike razmeroma preproste.
In prav v tem je varnostna težava, ki jo povzroča možnost pojava kvantnega računalništva. Zlonamerni posameznik ali organizacija bi lahko že zdaj prestregla in shranila sicer šifrirane podatke o tajnih pogovorih in bančnih transakcijah, pri čemer bi šifriranje razbila šele leta pozneje, ko bi ji uspelo razviti delujoč kvantni računalnik.
Posodabljanje algoritmov za šifriranje, da so odporni tudi proti kvantnim računalnikom, je postalo tako pomembno za zmanjševanje varnostnih tveganj. Z razvojem in vpeljavo šifrirnih sistemov, ki jih tudi kvantni računalniki ne bodo mogli zlahka zlomiti, se trenutno intenzivno ukvarjajo vsi, ki morajo poskrbeti za varno izmenjavo informacij. Priljubljena aplikacija za izmenjavanje sporočil Signal je tako nedavno napovedala, da je uvedla algoritme šifriranja, ki so odporni tudi proti kvantnim računalnikom.
Toda kaj sploh so kvantni računalniki in v čem se razlikujejo od običajnih? Za klasične računalnike velja, da vse informacije obravnavajo v digitalnem zapisu, v katerem ima lahko vsaka enota ali bit vrednost le 0 ali 1. Besedilo, slike, zvok in video tako shranjujemo, obdelujemo in prenašamo bolj ali manj le še v digitalni obliki oziroma v dolgih zaporedjih ničel in enic.
Pri kvantnih računalnikih pa osnovna enota ni bit, ampak kvantni bit ali kubit. Ključna razlika med sistemoma je, da lahko v posamezni kubit spravimo več informacij kot v klasični bit, hkrati pa za kubite veljajo povsem drugačna pravila računanja oziroma procesiranja kot za bite.
Pri bitu lahko brez težav izmerimo, kakšno vrednost ima, in jo po želji tudi spremenimo. Za kubit pa veljajo pravila kvantne fizike, kar pomeni, da je sistem lahko v nenavadnem kvantnem stanju superpozicije, ko njegova vrednost ni ne 0 in ne 1, ampak nekaj vmes oziroma oboje hkrati. Šele ob meritvi se to čudno kvantno stanje pretvori v 0 ali 1, sicer pa ostaja v nenavadni obliki superpozicije, za katero v običajnem svetu nimamo ustrezne prispodobe.
Nenavadna lastnost kubitov pa ni le v tem, da so lahko v nenavadni superpoziciji stanj, temveč tudi, da se jih lahko več poveže v skupno prepleteno stanje. Na ta način jih ne moremo obravnavati več kot ločene enote, ampak tvorijo skupno prepleteno stanje, ki se vede drugače, kot če bi bili kubiti med seboj še vedno neodvisni.
Zaradi teh nenavadnih lastnosti, ki so značilne za svet kvantne fizike, se kubiti vedejo povsem drugače kot običajni biti. Kvantni računalniki lahko izkoristijo oba kvantna učinka superpozicije in prepletenosti za izvajanje algoritmov, ki omogočajo obsežne paralelne in zelo zmogljive izračune. Zato lahko s kvantnim računanjem nekatere matematične probleme rešimo veliko hitreje kot s klasičnim pristopom.
Znanih je že kar nekaj algoritmov, ki bi jih lahko učinkovito izvajali na kvantnih računalnikih. Večinoma gre za reševanje problemov na področjih, kot so logistika, optimizacija, strojno učenje, kriptografija in podobno. Kvantni računalniki presegajo klasične tudi s sposobnostjo hitrih in natančnih simulacij kvantnih lastnosti molekul, kar bi lahko pomembno pripomoglo k razvoju novih zdravil in materialov.
A medtem ko je klasične bite dokaj enostavno uresničiti v praksi in z njimi izvajati različne operacije, je kubite zelo težko ustvariti, še težje pa je z njimi izvajati različne operacije. Kvantni sistemi so namreč zelo občutljivi na različne vrste motenj, zato jih je treba vzdrževati pri zelo nizkih temperaturah. Medtem ko so klasični računalniki relativno neobčutljivi na zunanje motnje, je za vzpostavitev kvantnega računalnika potrebnega zelo veliko truda.
Vendar ključno vprašanje trenutno ni več, ali kvantni računalniki sploh lahko delujejo, temveč kako hitro bo nekomu uspelo izdelati strojno opremo za izvajanje kvantnih algoritmov. Pomemben problem pri tem je vzpostavitev sistema za odpravljanje napak na kvantnih računalnikih oziroma zagotavljanje stabilnosti in zanesljivosti kubitov med izračuni.
