Era kwantowa: od badań naukowych po zastosowania, które zrewolucjonizują przemysł

Rywalizacja w dziedzinie technologii kwantowych przestała być odległą perspektywą, stając się jednym z głównych obszarów strategicznych nadchodzącej dekady. To, co jeszcze kilka lat temu rozwijało się niemal wyłącznie w środowiskach akademickich i wyspecjalizowanych laboratoriach, zaczyna teraz przybierać konkretny kształt w postaci infrastruktury, projektów przemysłowych i nowych możliwości cyfrowych, które mają realny wpływ na branżę. Obliczenia kwantowe, komunikacja kwantowa, zaawansowana technologia czujników oraz kryptografia postkwantowa rozwijają się w różnym tempie, ale mają ten sam cel: na nowo zdefiniować sposób, w jaki chronimy informacje, przetwarzamy dane i budujemy infrastrukturę cyfrową nowej generacji.

Zainteresowanie stale rośnie. Rządy, ośrodki badawcze i duże firmy technologiczne rywalizują o pozycję lidera w ekosystemie, który szybko przechodzi od badań podstawowych do konkretnych zastosowań. W ciągu zaledwie kilku lat debata przeszła od rozważań nad tym, czy technologie te będą realne, do pytań o to, kiedy zaczną one zmieniać całe sektory.

Europa uznała tę ewolucję za kwestię strategiczną. Inicjatywy takie jak „Quantum Flagship”, „EuroHPC” i „EuroQCI” odzwierciedlają dążenie do wzmocnienia europejskiej suwerenności technologicznej oraz zmniejszenia zależności od kluczowych zdolności opracowanych poza kontynentem. Cel wykracza poza sam postęp naukowy: chodzi o zapewnienie odpornej infrastruktury cyfrowej, ochronę poufnej komunikacji oraz zagwarantowanie, że Europa odegra wiodącą rolę w rewolucji technologicznej o globalnym zasięgu.

Zmiany są już widoczne. Pierwsze eksperymentalne rozwiązania ustąpiły miejsca bardziej stabilnym platformom, pilotażowym sieciom komunikacji kwantowej, hybrydowym środowiskom superkomputerów oraz nowym strategiom ochrony kryptograficznej przed przyszłymi zagrożeniami. Potencjalny wpływ wymienionych zmian obejmuje takie sektory, jak przemysł, opieka zdrowotna, obrona, przemysł kosmiczny czy infrastruktura krytyczna.

Wraz z nowymi możliwościami pojawia się również nieuniknione wyzwanie – bezpieczeństwo cyfrowe. Perspektywa, że niektóre komputery kwantowe będą w przyszłości w stanie złamać obecne algorytmy kryptograficzne, stanowi motywację globalnego przejścia na nowe standardy bezpieczeństwa. Kryptografia postkwantowa przestała być jedynie ćwiczeniem teoretycznym i stała się priorytetem dla organizacji, które muszą zapewnić poufność swoich danych w nadchodzących dziesięcioleciach.

Właśnie w tym kontekście firmy posiadające doświadczenie w zakresie integracji systemów krytycznych, zaawansowanego oprogramowania, przemysłu kosmicznego, obronności i cyberbezpieczeństwa mają do odegrania kluczową rolę. W takiej sytuacji działa firma GMV, która od lat rozwija swoje kompetencje w zakresie zastosowań informatyki kwantowej, komunikacji kwantowej oraz przygotowań do wpływu, jaki technologie te będą miały na cyberbezpieczeństwo.

To coś więcej niż technologia – to nowe możliwości

Pod pojęciem „technologie kwantowe” kryją się bardzo zróżnicowane osiągnięcia, charakteryzujące się różnymi zastosowaniami i stopniami zaawansowania. Obliczenia kwantowe są prawdopodobnie najbardziej znane ze względu na potencjał w zakresie rozwiązywania problemów związanych z optymalizacją, symulacją lub modelowaniem, które trudno rozwiązać za pomocą obliczeń konwencjonalnych. Najbardziej prawdopodobny scenariusz nie polega jednak na zastąpieniu obecnych systemów, lecz na ich uzupełnieniu za pomocą architektur hybrydowych, łączących superkomputery, sztuczną inteligencję i możliwości kwantowe.

Jednocześnie komunikacja kwantowa otwiera drogę do nowej generacji sieci, które są w stanie chronić poufne informacje, zapewniając bezprecedensowy poziom bezpieczeństwa. Technologie takie jak kwantowa dystrybucja kluczy (QKD) pozwalają wzmocnić ochronę transmisji w szczególnie wrażliwych obszarach, od obronności i przemysłu kosmicznego po infrastrukturę rządową i infrastrukturę o znaczeniu krytycznym.

Do tego dochodzi kryptografia postkwantowa, której celem jest ochrona obecnych systemów przed przyszłymi atakami kwantowymi, które mogłyby naruszyć algorytmy stanowiące obecnie podstawę Internetu i komunikacji cyfrowej. Zagrożenie znane pod nazwą „harvest now, decrypt later” — polegające na przechwytywaniu zaszyfrowanych danych dzisiaj w celu ich odszyfrowania w przyszłości — przyspieszyło konieczność zaplanowania migracji do systemów odpornych na ataki kwantowe.

Zrozumienie tej różnorodności jest ważne, aby oddzielić oczekiwania od rzeczywistości. Nie wszystkie z tych technologii rozwijają się w tym samym tempie ani nie dążą do tych samych celów. Wyzwaniem jest ustalenie, które z nich zaczynają generować namacalną wartość, a które będą miały decydujący wpływ na przyszłość przemysłu, komunikacji i cyberbezpieczeństwa.

Europa – od doskonałości naukowej po suwerenność technologiczną

Znaczenie tych technologii wynika również z sytuacji geopolitycznej, w której Stany Zjednoczone, Chiny i Europa rywalizują o pozycję lidera w dziedzinach, które będą miały decydujące znaczenie dla gospodarki, obronności i bezpieczeństwa.

W przypadku Europy strategia ta łączy inwestycje w badania naukowe, rozbudowę infrastruktury oraz tworzenie własnego ekosystemu przemysłowego. Przykładami tej strategii są takie inicjatywy jak EuroHPC, mająca na celu rozwój europejskiego superkomputera, czy EuroQCI, ukierunkowana na stworzenie kontynentalnej infrastruktury bezpiecznej komunikacji kwantowej. Wyzwaniem jest przekształcenie doskonałości naukowej w potencjał przemysłowy, standardy, talenty i rzeczywiste zastosowania.

Hiszpania również umacnia swoją pozycję w tej dziedzinie. Powstanie stowarzyszeń takich jak SQuA (Spanish Quantum Alliance), do którego należy firma GMV, odzwierciedla dążenie do stworzenia lepiej skoordynowanego ekosystemu krajowego, zdolnego do łączenia przedsiębiorstw, badań naukowych i innowacji stosowanych oraz do wniesienia większego wkładu w realizację strategii europejskiej.

Intensywność tego wyścigu znajduje również odzwierciedlenie w ogłoszeniach dotyczących inwestycji publicznych i prywatnych, które pojawiły się w ostatnich latach. Konkurowanie nie ma miejsca już wyłącznie w laboratorium, ale dotyczy również zdolności do wdrażania tych technologii na skalę przemysłową, ich integracji oraz rozszerzania ich zasięgu w ramach własnych ekosystemów.

Od badań po rozwój

Informatyka kwantowa zaczyna wychodzić poza fazę czysto eksperymentalną i wkracza na bardziej namacalny grunt: obszar rzeczywistych zastosowań. Celem nie jest już wyobrażanie sobie, że komputery kwantowe zastąpią obecne systemy, lecz ustalenie, w przypadku jakich konkretnych problemów mogą one przynieść korzyści w połączeniu z superkomputerami i sztuczną inteligencją.

Firma GMV nieprzerwanie pracuje nad tą technologią od 2021 roku. W ciągu ostatnich lat firma wniosła wkład w rozwój najnowszych osiągnięć w tej dziedzinie i wypracowała precyzyjną wizję rzeczywistych możliwości, jakie oferuje obecnie ta technologia: co już teraz można sensownie zrobić, co nadal zależy od rozwoju sprzętu oraz jakie rozwiązania pośrednie już teraz pozwalają czerpać korzyści.

Jedną z dziedzin, w których ewolucja ta jest najbardziej widoczna, jest optymalizacja i zaawansowana symulacja. Badania nad obliczeniami kwantowymi mają na celu usprawnienie planowania tras, zarządzania zasobami oraz modelowania materiałów i cząsteczek. Jego potencjał polega na zdolności do rozwiązywania problemów, których złożoność rośnie wykładniczo, zwłaszcza w połączeniu z superkomputerami i sztuczną inteligencją w środowiskach hybrydowych.

Potencjalne zastosowania obejmują bardzo zróżnicowane sektory. W dziedzinie zdrowia symulacje kwantowe mogłyby przyspieszyć opracowywanie nowych leków. W sektorach energetyki, finansów, logistyki, przemysłu kosmicznego czy obronności technologie te zaczynają być wykorzystywane do rozwiązywania złożonych problemów związanych z optymalizacją, symulacją i prognozowaniem.

W tym kontekście należy wspomnieć o CUCO, jednym z najbardziej reprezentatywnych projektów hiszpańskiego ekosystemu kwantowego, finansowanym przez CDTI pod kierownictwem firmy GMV. Inicjatywa ta umożliwiła opracowanie i weryfikację algorytmów kwantowych oraz algorytmów inspirowanych mechaniką kwantową, stosowanych w sektorach strategicznych. Wśród opracowanych zastosowań znajdują się modele służące do identyfikacji elektrowni fotowoltaicznych na zdjęciach satelitarnych, prognozowania wiatru, wyceny instrumentów pochodnych oraz projektowania nowych katalizatorów.

Do tej linii dołącza projekt Q-MIND, ukierunkowany na konwergencję informatyki kwantowej, sztucznej inteligencji i zaawansowanego przetwarzania informacji. Tego rodzaju inicjatywy wpisują się w jeden z najwyraźniejszych trendów w branży: informatyka kwantowa zyskuje na znaczeniu jako uzupełniający element w ramach hybrydowych procesów symulacji, analizy i optymalizacji.

Doświadczenie zgromadzone przez GMV pozwoliło również na zacieśnienie relacji z kluczowymi podmiotami ekosystemu kwantowego, w tym z dostawcami sprzętu kwantowego, takimi jak IBM i D-Wave, wyspecjalizowanymi platformami, takimi jak QCentroid, oraz środowiskami emulacji kwantowej, takimi jak OVH Cloud. W sytuacji, gdy dostęp do rzeczywistego sprzętu kwantowego nadal stanowi czynnik wyróżniający, scentralizowanie i koordynacja wewnętrznych działań ma szczególne znaczenie dla przyspieszenia przejścia od badań technologicznych do konkretnych zastosowań.

Wizja ta znajduje również odzwierciedlenie w udziale firmy GMV w integracji komputera kwantowego z systemem MareNostrum 5, w którym firma zapewniła infrastrukturę systemów klasycznych i sieci, a także usługi zdalnego dostępu i wsparcie dla użytkowników w ramach całkowicie europejskiego środowiska technologicznego.

Wszystko to pozwoliło na realistyczne spojrzenie na obecny stan technologii. Niektóre podejścia, takie jak systemy optymalizacyjne oparte na annealerach (komputer kwantowy specjalizujący się w rozwiązywaniu problemów optymalizacyjnych), w przypadku niektórych problemów zaczynają przynosić obiecujące wyniki. Inne kierunki, takie jak uczenie maszynowe w skali kwantowej, mają ogromny potencjał, choć nadal wymagają znacznego rozwoju dostępnego sprzętu. Oprócz nich podejścia inspirowane mechaniką kwantową, takie jak sieci tensorowe, stanowią kolejne istotne narzędzie pozwalające rozwiązywać złożone problemy w ramach zaawansowanych obliczeń klasycznych.

Podejście to znajduje już odzwierciedlenie w konkretnych inicjatywach wewnętrznych. Firma GMV współpracuje z różnymi zespołami w celu oceny, w jakim stopniu obecne ograniczenia można przezwyciężyć dzięki nowym podejściom kwantowym lub inspirowanym mechaniką kwantową. Celem jest zidentyfikowanie problemów, w których te umiejętności mogą przynieść rzeczywiste korzyści i stworzyć namacalną wartość.

Komunikacja kwantowa – ochrona informacji o kluczowym znaczeniu

Postęp w dziedzinie technologii kwantowych nie ogranicza się wyłącznie do mocy obliczeniowej. Komunikacja kwantowa stała się jedną z dziedzin o największym znaczeniu strategicznym, zwłaszcza w sektorach, w których ochrona informacji ma kluczowe znaczenie.

W tej dziedzinie QKD jawi się jako jedna z najbardziej zaawansowanych technologii. Jego celem jest umożliwienie wymiany informacji, która pozwoli wykryć każdą próbę przechwycenia. Właśnie w tym kontekście pojawia się QuKee – rozwiązanie firmy GMV mające na celu wzmocnienie bezpieczeństwa komunikacji za pomocą technologii kwantowych.

Wizję tę wzmacnia strategiczne partnerstwo między firmami GMV a LuxQuanta, którego celem jest przyspieszenie wdrażania rozwiązań QKD w Europie. W ramach tej współpracy łączone są doświadczenie firmy GMV w zakresie cyberbezpieczeństwa, zarządzania kluczami i systemów kosmicznych z technologią opracowaną przez firmę LuxQuanta dla naziemnych sieci światłowodowych. Celem jest dążenie do stworzenia zintegrowanego ekosystemu bezpiecznej komunikacji kwantowej, zgodnego z europejskimi inicjatywami, takimi jak EuroQCI.

Zastosowania technologii kwantowych nie tylko przynoszą korzyści na Ziemi, ale także zmieniają oblicze kosmosu. Niektóre z nich są z nami już od dziesięcioleci,

choć w dyskretny sposób: dobrym przykładem są zegary atomowe zainstalowane w globalnych systemach nawigacji satelitarnej (GNSS), takich jak Galileo, które opierają się na zasadach fizyki kwantowej i pozwalają precyzyjnie określać pozycje na naszej planecie.

Inne osiągnięcia stały się już rzeczywistością. Lasery, klasyczne przykłady technologii kwantowej, zaczynają odgrywać kluczową rolę w komunikacji kosmicznej dzięki łączom optycznym między satelitami — tzw. łączom satelitarnym — oraz naziemnym stacjom śledzącym. Rozwiązania te przyspieszają przekazywanie informacji oraz zapewniają bezpieczniejszą i bardziej wydajną komunikację. Firma GMV bierze udział w tej rewolucji technologicznej, dokładając swoją cegiełkę w przełomowe projekty europejskie, takie jak HydRON, mający na celu zademonstrowanie działania sieci komunikacji optycznej między satelitami a Ziemią, czy też EDRS, którego celem jest stworzenie sieci szybkiej komunikacji laserowej z możliwością retransmisji między satelitami a stacjami naziemnymi.

Nowa generacja kosmicznych technologii kwantowych idzie jeszcze dalej i opiera się na zjawiskach charakterystycznych dla fizyki kwantowej, takich jak splątanie, superpozycja czy efekt tunelowy. W tej dziedzinie na szczególną uwagę zasługują projekty Eagle-1 (z niskiej orbity położonej około 700 km od Ziemi), Caramuel (z orbity geostacjonarnej położonej 36 000 km od Ziemi) oraz SAGA, konstelacja EuroQCI (europejska infrastruktura komunikacji kwantowej) Komisji Europejskiej, w których uczestniczy również firma GMV i które koncentrują się na kwantowej dystrybucji kluczy (ang. Quantum Key Distribution lub QKD).

Również w dziedzinie nawigacji i synchronizacji otwierają się nowe możliwości. W ramach projektu QUANTICO łączy się techniki pomiarów kwantowych z kwantową dystrybucją kluczy w celu opracowania systemów bardziej odpornych na zakłócenia. Firma GMV opracowała już prototyp zdolny do osiągania dokładności rzędu nawet 6 cm bez konieczności korzystania z tradycyjnych globalnych systemów nawigacji satelitarnej (GNSS).

Na koniec warto wspomnieć o projekcie CARIOQA, który będzie poświęcony badaniom nad ultraprecyzyjnymi pomiarami z kosmosu przy użyciu czujników kwantowych. Cel – umieszczenie na orbicie akcelerometru kwantowego zdolnego do wykrywania i analizowania najmniejszych zmian w ziemskim polu grawitacyjnym.

Przygotuj się już dziś na bezpieczeństwo w erze postkwantowej

Chociaż praktyczne zastosowanie informatyki kwantowej na dużą skalę wciąż wiąże się z poważnymi wyzwaniami technicznymi, jej rozwój już teraz stanowi bezpośrednie wyzwanie dla cyberbezpieczeństwa. Niektóre z systemów kryptograficznych, które obecnie chronią naszą komunikację, transakcje i dane, mogą w przyszłości stać się podatne na ataki ze względu na możliwości najbardziej zaawansowanych komputerów kwantowych.

Przejście na kryptografię postkwantową nie jest już postrzegane wyłącznie jako kwestia badawcza, lecz jako warunek zapewnienia długoterminowej odporności i ochrony organizacji zarządzających poufnymi informacjami lub infrastrukturą krytyczną.

W tym kontekście pojawia się nowa generacja algorytmów zaprojektowanych tak, by były odporne na przyszłe ataki kwantowe. Rozwój międzynarodowych standardów potwierdza, że migracja ta nie jest już kwestią teoretyczną, lecz rzeczywistą koniecznością dla organizacji publicznych i prywatnych.

Wyzwanie nie polega wyłącznie na zastąpieniu algorytmów. Oznacza to przegląd architektur, dostosowanie systemów, zapewnienie gotowości do wdrożenia technologii kryptograficznych oraz zaplanowanie uporządkowanego przejścia w sektorach, w których zaufanie, dostępność i ochrona informacji mają kluczowe znaczenie.

Przygotowanie się do zmiany skali

W najbliższych latach będziemy świadkami rozwoju pierwszych hybrydowych zastosowań informatyki kwantowej w połączeniu z obliczeniami o wysokiej wydajności (ang. High-Performance Computing, HPC) oraz sztuczną inteligencją, stopniowego wdrażania bezpiecznej komunikacji kwantowej oraz przyspieszenia przejścia na kryptografię postkwantową. Wszystko wskazuje na to, że różne technologie kwantowe będą zyskiwać na znaczeniu w sposób nierównomierny, ale stały, w sektorach przemysłowych i strategicznych.

Nie chodzi już o to, czy te możliwości będą miały wpływ, ale o to, które organizacje będą gotowe przekształcić je w użyteczne, bezpieczne i gotowe do działania rozwiązania. Dla Europy oznacza to przekształcenie doskonałości naukowej w suwerenność technologiczną. Dla firmy GMV oznacza to dalszy wkład w tę transformację z jasno określonej perspektywy: połączenie wizji technologicznej, zdolności integracyjnych oraz ukierunkowania na aplikacje o rzeczywistej wartości.

Oznacza to również coś więcej – rozszerzenie tej dyskusji na całą firmę. Wczesne wykrywanie problemów, w których zastosowanie tych technologii mogłoby przynieść korzyści, będzie stanowiło istotny element przewagi konkurencyjnej w nadchodzących latach. Ponieważ w erze kwantowej o przewadze nie zadecyduje tylko ten, kto opanuje technologię, ale ten, kto potrafi jako pierwszy zidentyfikować, gdzie może wywrzeć rzeczywisty wpływ.