WYDZIAŁ CYBERNETYKI

Informatyka kwantowa – zawód przyszłości czy niszowa specjalizacja?

Rozwój technologii kwantowych jeszcze niedawno kojarzony był głównie z badaniami laboratoryjnymi i teoretycznymi rozważaniami naukowców. Dziś jednak coraz wyraźniej znajduje praktyczne zastosowanie w cyberbezpieczeństwie, telekomunikacji, czy projektowaniu nowych materiałów. Wraz z tym rośnie zapotrzebowanie na specjalistów, którzy potrafią nie tylko rozumieć zjawiska kwantowe, ale także wykorzystywać je w informatyce i nowoczesnych systemach przetwarzania informacji.

Odpowiedzią na te potrzeby jest nowa specjalność „informatyka kwantowa” uruchomiona w marcu 2025 roku na Wydziale Cybernetyki Wojskowej Akademii Technicznej. Zespół kierowany przez prof. dr. hab. inż. Andrzeja Walczaka, w skład którego weszli: dr inż. Joanna Wiśniewska, dr inż. Paweł Moszczyński, ppłk dr Mariusz Jurkiewicz, dr inż. Krzysztof Kanciak oraz dr inż. Michał Wroński, został wyróżniony nagrodą rektorską za osiągnięcia dydaktyczne. Nagroda została przyznana za opracowanie części dydaktycznej projektu „Hub kwantowy dla RON w WAT”, obejmującej kompleksowy program kształcenia dla specjalności „informatyka kwantowa”.

Kim są przyszli specjaliści informatyki kwantowej? Jakie możliwości i wyzwania niesie rozwój komputerów kwantowych? I czy mamy do czynienia z zawodem przyszłości, czy raczej wąską, elitarną specjalizacją? O tym rozmawiamy w poniższym wywiadzie z naszym wykładowcą prof. dr. hab. inż. Andrzejem Walczakiem.

Panie profesorze, czym właściwie jest komputer kwantowy i czym różni się od komputera, z którego korzystamy na co dzień?

AW: Zacznijmy od nawiązania do tytułu i pierwszego pytania. Koncentrują one naszą uwagę na komputerze kwantowym, który już od kilku lat zyskał sobie „osobowość medialną”. Natomiast Informatyka Kwantowa to nowy i przełomowy dział informatyki.

Poddajmy związane z nią elementy wiedzy pewnej kategoryzacji. Obecnie na zagadnienia tworzące Informatykę kwantową składają się cztery główne komponenty, zdominowane w przekazach medialnych przez enuncjacje dotyczące głównie wyników badań podstawowych, w których trudno dostrzec aspekty informatyczne. Wymienimy je kolejno:

1. Informacje o badaniach podstawowych technologii i teorii kwantowych – rozumiemy tutaj elementy wszelkiego zakres badań na poziomie laboratoryjnym oraz rozwój badań teoretycznych, a w tym głównie podstawowe zjawiska i zaskakujące rezultaty mechaniki kwantowej. Ten obszar zagadnień, dotyczący głównie zjawisk fizycznych, eksplorujemy na naszej specjalności tylko w takim zakresie, w jakim służy wprost dalszej części wykładu ściślej związanej z metodami przetwarzania informacji. Nie kształcimy fizyków, tylko informatyków.
2. Informacje o zasadach działania i konstrukcji komputerów kwantowych oraz ich eksploatacji praktycznej w obliczeniach kwantowych.
3. Zasady szyfrowania informacji oparte o transmisję klucza kwantowego oraz cały kompleks wiedzy z zakresu tak zwanej kryptografii postkwantowej, której rolą jest zbudowanie ochrony przed ewentualnym wykorzystaniem potężnej mocy obliczeniowej komputerów kwantowych do złamania kluczy publicznych.
4. Realne (czyli oparte o modele dobrze zdefiniowanych problemów) wprowadzenie do tego czym są obliczenia kwantowe wchodzące w obszar weryfikowalnych zastosowań. Współcześnie są to głównie obliczenia hybrydowe, w których komputer kwantowy współpracuje z komputerem klasy HPC (High Performace Computer).

Ta wyliczanka ilustruje, że Informatyka kwantowa, to nie tylko komputer kwantowy i obliczenia kwantowe ale znacznie szersze spektrum zastosowań technologii kwantowych w przetwarzaniu i transmisji informacji.

Dlaczego rozwój komputerów kwantowych wzbudza tak duże zainteresowanie w świecie cyberbezpieczeństwa?

AW: Od czego się rozpoczyna etap nazywany w informatyce „informatyką kwantową”? Jak wiele odkryć zaczyna się strachu, że złamane zostaną zabezpieczenia kluczami publicznymi. Spowodowane to zostało odkryciem matematycznym Petera Shora w 1995 roku. Pokazał on, pomińmy na razie terminologie specjalistyczne, że obliczenia prowadzące do złamania jednej z głównych metod szyfrowania mogą być wykonane przy znacznie mniejszej liczbie operacji matematycznych, niż wskazywana przed jego odkryciem. Co więcej, gdyby zastosować komputer, który wykonuje wprost operacje wykorzystane przez Petera Shora w jego algorytmie, to czas potrzebny na złamanie kluczy publicznych robi się niebezpiecznie krótki. To właśnie komputer kwantowy.
Od tego momentu mamy eksplozję technologii i zabezpieczeń informacji transmitowanej (klucz kwantowy), i rozwój przeciwdziałania w postaci kryptografii postkwantowej, i rozwój komputerów kwantowych.

W jakich innych obszarach poza kryptologią komputery kwantowe mogą znaleźć zastosowania?

AW: KK policzy obecnie w układzie tzw. obliczeń hybrydowych wiele zadań z projektowania nowych materiałów nieosiągalnych w obliczeniach klasycznych. Doskonale poradzi sobie tam, gdzie możemy operować modelami natywnych stanów kwantowych czyli wszystkie zadnia projektowania w chemii, farmacji, w pewnym stopniu także genetyce, itp.
Są relacjonowane wyniki w zakresie zadań optymalizacji, uczenia maszynowego, a także kwantowych sieci neuronowych.
Natomiast nie mają sensu próby stosowania komputera kwantowego do zadań możliwych do policzenia na komputerze klasycznym. Bez wyjątków.

Dlaczego mówi się, że komputery kwantowe mogą zagrozić dzisiejszym metodom szyfrowania?

AW: Co komputer kwantowy policzy, a czego nie policzy?
Najnowsze badania pokazują, że przy zastosowaniu optymalizacji w toku obliczeń(tzw. destylacja stanów magicznych, nowe algorytmy korekcji błędów) można by złamać RSA-2048 przy użyciu około miliona kubitów fizycznych w ciągu tygodnia. Ale to nadal znacznie więcej, niż oferują dzisiejsze maszyny.

Czym jest algorytm Shora i dlaczego jest tak często przywoływany w dyskusjach o kryptografii kwantowej?

AW: Spowodowane to zostało odkryciem matematycznym Petera Shora w 1995 roku. Pokazał on, pomińmy na razie terminologie specjalistyczne, że obliczenia prowadzące do złamania jednej z głównych metod szyfrowania mogą być wykonane przy znacznie mniejszej liczbie operacji matematycznych, niż wskazywana przed jego odkryciem.

Czy obecnie istnieją już komputery kwantowe zdolne do łamania współczesnych zabezpieczeń?

AW: Ale, o ile około roku 2021 wiodące firmy anonsowały komputery kwantowe operujące liczbą tzw. kubitów (...) równą 128, o tyle w roku 2025 wiosną jedna z wiodących firm demonstrowała komputer kwantowy operujący liczbą ok. 4000 kubitów. Jednocześnie zdolność dysponowania liczbą kubitów użyteczną do czystych obliczeń (...) wzrosła z kilku do ponad 100.
Z tego powodu algorytm Shora nie został jak dotychczas zrealizowany na komputerze kwantowym czyli jak na razie złamanie kluczy publicznych za jego pomocą nie nastąpi.

Jak długo jeszcze współczesna kryptografia może pozostać bezpieczna?

AW: Czyli: nie chodzi tylko o długość rejestru, ale o jakość, stabilność i skalowalność całego systemu. Anonsowane jest uzyskanie takiego poziomu technologii już w 2027/28 roku.
Dla porównania zobaczmy, że od pierwszego komputera Eniac (...) do pierwszego superkomputera (...) minęło ok. 65 lat.
Rozwijanie technologii komputerów kwantowych jest znacząco szybsze niż miało to miejsce w klasycznym przypadku.

W jaki sposób Wydział Cybernetyki kształci specjalistów z informatyki kwantowej?

AW: Schemat kształcenia na naszej specjalności Informatyka Kwantowa jest znacząco różny od prezentowanych w kilku innych uczelniach.

W WCY WAT kształcimy informatyków. Tylko na drugim stopniu studiów ze względu na wymagania aby studenci byli już albo inżynierami informatykami, albo inżynierami elektronikami/optoelektronikami biegłymi w programowaniu. Oferujemy szeroki moduł oparty o 13 przedmiotów, a w tym: fizyczne i matematyczne podstawy informatyki kwantowej – od zasad fizyki do zasad działania komputera kwantowego i prowadzenia obliczeń kwantowych; podstawy telekomunikacji klasycznej i kwantowej – od klasycznej transmisji sieciowej do transmisji klucza kwantowego; podstawy kryptografii klasycznej i postkwantowej – od kluczy szyfrujących do możliwości ich złamania i ochronie tych kluczy.

Jak wygląda sylwetka absolwenta tej specjalności?

AW: Absolwent jest magistrem inżynierem informatyki w specjalności informatyka kwantowa.
Przygotowujemy kadry cywilne i wojskowe na rynek stosujący technologie obliczeń kwantowych, transmisję klucza kwantowego, transmisję kwantową w sieciach telekomunikacyjnych, algorytmikę postkwantową.

Serdecznie dziękuję za rozmowę.

Na zakończenie warto podkreślić, że nowa specjalność „informatyka kwantowa” to efekt zaangażowania i pracy zespołu kierowanego przez Andrzej Walczak. Serdecznie gratulujemy wszystkim jego członkom – prof. dr hab. inż. Andrzejowi Walczakowi, dr inż. Joannie Wiśniewskiej, dr inż. Pawłowi Moszczyńskiemu, ppłk. dr. Mariuszowi Jurkiewiczowi, dr. inż. Krzysztofowi Kanciakowi oraz dr. inż. Michałowi Wrońskiemu – wyróżnienia i stworzenia nowoczesnego, ambitnego programu kształcenia, odpowiadającego na wyzwania przyszłości.

Studentów zainteresowanych nowoczesnymi technologiami zachęcamy do wyboru tej specjalności i rozwijania kompetencji na styku informatyki, kryptografii oraz technologii kwantowych. Z kolei żołnierzy, którzy chcieliby pogłębiać wiedzę w tym obszarze, zapraszamy do podejmowania studiów indywidualnych pod opieką członków zespołu i współtworzenia nowej generacji specjalistów w dziedzinie informatyki kwantowej.

***
#ZdaniemWykładoWCY to cykl wywiadów z wykładowcami-ekspertami Wydziału Cybernetyki, którzy dzielą się wiedzą i opiniami na temat najgorętszych trendów w IT, cyberbezpieczeństwie, kryptologii i sztucznej inteligencji.

Wywiad przeprowadziła Magdalena Moszczyńska

Fot. WCY