Úterý, 29 září
Shadow

Kvantová teleportace: historie a vyhlídky

Jediné, co zatím dokážeme kvantově teleportovat, jsou jedničky a nuly, ty však, jak známo jest, dokážou přenést libovolnou informaci vyjádřitelnou čísly a písmeny. Na "transportní kruhy" či bleskový přenos přes celou galaxii ze sci-fi seriálů si však ještě budeme muset počkat. Zdroj: dailygalaxy.com
Jediné, co zatím dokážeme kvantově teleportovat, jsou jedničky a nuly, ty však, jak známo jest, dokážou přenést libovolnou informaci vyjádřitelnou čísly a písmeny. Na „transportní kruhy“ či bleskový přenos přes celou galaxii ze sci-fi seriálů si však ještě budeme muset počkat. Zdroj: dailygalaxy.com

 Úvod: Přinášíme čtenářům další populárně-vědecký článek, tentokrát o kvantové teleportaci, jevu, který je zatím jedinou metodou, jak přenášet informace z jednoho místa na druhé napříč prostorem. Bohužel, jak uvidíte, teleportace taková, jak ji známe ze sci-fi filmů, věcí stále z říše fantazií, nicméně i ta kvantová otevírá vědě a technice brány k novým, někdy velmi překvapivým poznatkům. 

 Článek je poněkud náročnější a vyžaduje alespoň středoškolskou znalost fyziky, pasáže, které nejsou nutné k pochopení hlavních myšlenek, jsou vyznačeny odsazením.

Nejsou tomu ani čtyři měsíce, kdy se dvěma výzkumným týmům podařilo překonat dosavadní rekord ve vzdálenosti, na kterou kdy kdo dokázal teleportovat kvantovou částici. Ačkoli si většina lidí při slově teleportace představí vědeckofantastické filmy, ve kterých se hrdinové bez pomoci dopravních prostředků během pár vteřin přemísťují z jednoho konce vesmíru na druhý, v reálném světě se dosud jedná o přenos uskutečňovaný v měřítku jednotlivých fotonů (světelných vln). Zkoumání tohoto jevu by v budoucnu mělo přinést úžasně výkonné kvantové počítače, umožňující provádět například výrazně rychlejší vědecké výpočty, než dnešní křemíkové čipy, a rychlejší přenos informací.

Kvantová teleportace využívá jevu známého jako kvantové provázání (zřídka též nazývaného kvantové propletení), díky němuž mohou kvantové částice sdílet jemnou neviditelnou vazbu napříč prostorem. Propletení lze ilustrovat například na dvou fotonech s navzájem závislými polarizačními stavy (směry kmitání vlny) – z jednoho fotonu s vlnovou délkou odpovídající ultrafialovému světlu můžeme jeho průchodem přes speciální krystal získat dva fotony s nižšími vlnovými délkami a vzájemně kolmými směry polarizace. O těchto fotonech pak říkáme, že jsou provázané. Pokud je jeden foton řekněme svisle polarizován, je ten druhý polarizován vodorovně. Jednou z pozoruhodných vlastností kvantové mechaniky je skutečnost, že dokud neprovedeme měření, zůstávají oba fotony ve stavech s neurčeným směrem polarizace. Podle způsobu, jakým je měříme, se pak chovají buď jako svisle či vodorovně polarizované, nebo se mohou chovat i jako fotony s polarizacemi „do úhlopříčky“. Výsledek závisí na měřicí aparatuře. Podstatné je to, že ať už je natočení polarizací vůči okolí jakékoli, díky provázání bude po změření směr polarizace druhého fotonu vždy kolmý na směr polarizace fotonu prvního, a to i když jsou od sebe obě částice vzdáleny mnoho kilometrů. Zde je dobré podotknout, že změřením a natočením polarizace se provázaný stav obou fotonů zruší a dále se obě částice chovají samostatně. Zní to komplikovaně, ale základní myšlenka je následující: foton se nachází v určitém „kvantovém stavu“, který můžeme kontrolovat, měřit a manipulací s ním přenášet informaci – čísla, slova a podobně.

  • „Kvantový stav“ částice je označení pro soubor parametrů, kterými popisujeme částici v kvantové mechanice. Pro podrobnější vysvětlení tohoto pojmu se můžeme obrátit k fyzice, kterou známe, například k mechanice. Co znamená například, že dvě hvězdy na obloze jsou odlišnými objekty z hlediska fyziky? Mohou mít stejné složení, ale mají jinou polohu a jinou rychlost pohybu vesmírem. To je soubor parametrů, kterými je popisujeme, pokud chceme předpovídat pohyb těles na nebi (pro sestavení kalendáře, předpovědi odlivů a přílivu, pohyb družic a podobně). V mikrosvětě však neplatí mnohé zákonitosti a zákony klasické mechaniky, proto používáme jiné veličiny – například kvantová čísla u elektronů a protonů nebo polarizační stav u fotonu. V této souvislosti stojí za zmínku, že namísto o „teleportování částice“ je přesnější mluvit o „teleportování kvantového stavu částice“ neboť ve skutečnosti neteleportujeme částici samotnou, ale „jen“ její vlastnosti, které přeneseme na novou částici. Jedním z hlavních specifik kvantových stavů je fakt, že se částice může v jednom okamžiku nacházet v superpozici (složení) více stavů. Pokuste si představit míč, který v téže chvíli rotuje po i proti směru hodinových ručiček… Jak vidno, v klasické mechanice není něco podobného dost dobře možné.

Podivuhodnou podstatu provázání lze opět přiblížit na srovnání s klasickou mechanikou. Pokud například máme dvě koule, které váží stejně a stejnou rychlostí letí proti sobě například ve vakuu, jejich celková hybnost je po celou dobu letu nulová a po srážce se rozlétnou na opačné strany. Pokud změříme hybnost jedné z těchto koulí tím, že ji zastavíme, víme ze zákona zachování hybnosti, že druhá koule ji má přesně opačnou. Tedy změřením „stavu“ jedné koule jsme určili stav i té druhé, který jsme tím ale nijak neovlivnili, druhá koule je na té první naprosto nezávislá. U fotonů spojených provázáním to však funguje jinak. Mějme dva fotony, polarizované ve směrech na sebe kolmých, jako v příkladě uvedeném výše. Každý z nich se v půlce případů chová jako svisle a v půlce případů jako vodorovně polarizovaný (pojmy svislá a vodorovná polarizace zavádíme jen pro jednoduchost, tytéž fotony můžeme měřit v jiných polarizačních směrech, ale jejich vlastnosti vyplývající z provázání budou zachovány). Změřením určíme stav jednoho fotonu, výsledek měření však ovlivní stav druhého fotonu, který tím získá polarizaci, která je na tu první kolmá. Na rozdíl od klasické mechaniky tak změřením jednoho fotonu ovlivníme vlastnosti fotonu druhého, kterého jsme se však ani „nedotkli“.

Předpokládejme, že Alice chce Bobovi (Alice a Bob jsou podle americké tradice „modelovými partnery“ ve vědeckých pojednáních) „teleportovat“ kvantový stav fotonu.

Hlavní myšlenka kvantové teleportace. "Kód" znamená informaci potřebnou pro rozšifrování stavu Alicina fotonu a je to nějaký signál, poslaný po konvenčních kanálech - například e-mailem. Nevyhneme se tedy jejich použití. Kvantová teleportace ovšem umožňuje přenos stejného množství informace pomocí menšího počtu signálů (např. bitů). Především ale stav teleportovaného Alicina fotonu je nerozšifrovatelný bez znalosti výsledků měření v kroku 2, tedy pokud by někdo odchytil jen kód (kroky 3 a 4), je mu k ničemu.
Hlavní myšlenka kvantové teleportace. „Kód“ znamená informaci potřebnou pro rozšifrování stavu Alicina fotonu a je to nějaký signál, poslaný po konvenčních kanálech – například e-mailem. Nevyhneme se tedy jejich použití. Kvantová teleportace ovšem umožňuje přenos stejného množství informace pomocí menšího počtu bitů. Především ale stav teleportovaného Alicina fotonu je nerozšifrovatelný bez znalosti výsledků měření v kroku 2, tedy pokud by někdo odchytil jen kód (kroky 3 a 4), je mu k ničemu.

Nejdříve vezme jeden z provázaných fotonů a druhý přenechá Bobovi (úroveň dnešní techniky využívající laserů již umožňuje zacházet s jednotlivými fotony). Poté svůj foton nechá interferovat s teleportovaným fotonem (další ze zajímavých vlastností mikrosvěta je tzv. částicově-vlnový dualismus, kdy lze částici považovat za vlnu a naopak, foton lze tedy považovat za vlnu a ta může interferovat s jinou vlnou-fotonem) a provede měření polarizace, jehož výsledek závisí na kvantovém stavu obou jejích částic. Díky propletení pocítí v tomtéž okamžiku Bobův foton následek měření provedeného Alicí a převezme původní kvantový stav Alicina teleportovaného fotonu. Nepřevezme ho však v čisté formě, ale jaksi zakódovaně. Bob nemůže zrekonstruovat kvantový stav, který chtěla Alice poslat, dokud neobrátí proces kódování tím, že svůj foton nastaví v závislosti na výsledku Alicina měření. Musí tedy počkat, až mu Alice poví, jak teleportaci dokončit, její zpráva však nemůže cestovat rychleji než světlo. Toto omezení zajišťuje, že přenos stavu teleportací nepřekročí rychlost světla.

 Další využití teleportace

  Ačkoli teleportace neumožňuje nadsvětelnou komunikaci, umožňuje obejít další fyzikální překážku známou jako no-cloning theorem. Toto tvrzení říká, že nelze vytvořit kopii stavu, u něhož dopředu nevíme jeho konkrétní parametry. Můžeme sice mít foton, o němž víme, že jeho polarizovaný stav je superpozicí (viz odstavec o kvantových stavech) vodorovného a svislého směru, pokud ale nevíme jeho přesnou hodnotu, tak neexistuje způsob, jakým tento foton „nakopírovat“. U teleportace je důležité to, že odesílatel (Alice) ani nepotřebuje znát stav fotonu, který posílá. Ani Alice, ani Bob coby příjemce nevědí, v jakém stavu se teleportovaný foton nachází. Navíc kvůli změření je původní stav Alicina teleportovaného fotonu zničen (nenávratně poškozen), nedojde tedy ke klonování neznámého stavu, pouze k jeho přenesení. Bob tak teleportací obdrží původní stav teleportovaného fotonu a „no-cloning theorem“ není porušen.

Teleportace může též bezpečně přenést kvantovou informaci i když Alice neví, kde se Bob nachází. Bob může vzít svou provázanou částici kamkoli se mu zachce a Alice pak může vyslat své pokyny pro dekódování teleportovaného stavu přes jakýkoli konvenční komunikační kanál jako rádiové vlny nebo internet, aniž by je musela jakkoli šifrovat. Tyto pokyny jsou totiž pro případného narušitele nedisponujícího kvantovým propletením s Alicí naprosto k ničemu.

Současná situace

Devátého května letošního roku oznámila skupina čínských odborníků na webové stránce arXiv.org, že se jim podařilo uskutečnit teleportaci přes jezero Qinghai na vzdálenost 97 kilometrů. Překonali tak předchozí rekord, který činil 16 kilometrů. Jejich práce následně vyšla 9. srpna v časopisu Nature.

Další studie však posunují laťku ještě výše. Pouhých osm dní po čínské skupině uveřejnil na téže internetové stránce své výsledky tým složený z evropských a kanadských odborníků, kteří teleportovali informaci mezi dvěma Kanárskými ostrovy, 143 km daleko (více na adrese http://arxiv.org/abs/1205.3909).

 Oba týmy odborníků čelily velkým překážkám – poslat jediný foton na vzdálenost 100 kilometrů a pak ho zachytit při jeho průchodu vzduchem není vůbec jednoduchý úkol. Pro zdárný průběh experimentu potřebovaly obě skupiny Alicí a Bobů pro posílání i přijímání svých fotonů laserem korigované teleskopy spolu se složitými optickými soustavami pro modifikaci a měření kvantových stavů fotonu.

Vyhlídky do budoucna 

 Dosavadní výsledky nejsou ale ničím ve srovnání s vizemi odborníků. Obě skupiny podotkly, že jejich práce je jen krůčkem k budoucímu způsobu teleportace, kdy se bude kvantová informace posílat ze země na vesmírné družice. V dlouhodobějším měřítku by pak kvantové provázání a teleportace mohli jednoho dne tvořit základ kvantových kanálů spojujících hypotetické kvantové procesory v kvantových počítačích.

  • Kvantový počítač je koncepce, která by v budoucnosti mohla nahradit současné, na křemíku založené, výpočetní stroje. Dnešní výpočetní stroje počítají striktně ve dvojkové soustavě, nejmenší jednotkou informace je jeden bit, který může zaujímat dva stavy – „ano-ne“, čímž vysílá signál ve dvojkové soustavě. U kvantového počítání stav jednoho bitu (ve fyzikálním slangu „qubitu“) je „někde mezi“ 0 a 1. Zevrubnější výklad je nad rámec tohoto článku, nicméně hlavní výsledek teorie kvantového počítání spočívá v tom, že řada výpočetních metod, které dnes používáme, má své kvantové analogie, které jsou mnohem rychlejší. Dosavadní vývoj ukázal řadu teoretických omezení pro kvantové počítání a jeho praktická technická realizace je jednou z největších výzev dnešních fyziků, vědci jsou přesto stále přesvědčení o tom, že funkční kvantový počítač je uskutečnitelný koncept, který by znamenal zlom v dosavadním vývoji výpočetní techniky. Byl by schopen účinně řešit takové úlohy jako simulace , efektivnější prohledávání databází či rozklad velkých čísel na prvočísla (faktorizace). Na poslední jmenované úloze stojí řada šifrovacích technik, například RSA, a je pro dnešní počítače výpočetně velmi náročná. Pokud bychom chtěli takovou šifru prolomit, museli bychom najít prvočíselný rozklad čísla o stovkách míst, což nelze dělat jinak, než zkoušet všechna čísla menší než odmocnina z něj jednu po druhém, což i nejrychlejším klasickým strojům trvá asi tolik let, kolik uplynulo od vzniku vesmíru. Kvantové počítání by je dokázalo prolomit, ale zároveň poskytnout nové, účinnější kryptografické metody. Existuje už celá řada malých experimentálních kvantových počítačů, letos byl například poprvé postaven v pevné fázi (více zde), stále však jde o malé pokusné jednotky.

Prozatím se ale teleportace odehrává jen v supermoderních laboratořích, v nichž se nejrůznější skupiny fyziků snaží posunovat hranice našich experimentálních možností. Zatímco již probíhají pokusy s teleportací atomů či celých molekul, teleportace větších objektů, jako např. lidí, se vzhledem ke specifickým problémům kvantové mechaniky zdá spíše jako nesplnitelný úkol. Z principů kvantové teorie totiž vyplývá, že nelze změřit současně polohu i hybnost částice dostatečně přesně (Heisenbergovy principy neurčitosti), což do jisté míry znemožňuje popsat teleportovaný objekt (v našem případě člověka) ve všech jeho jednotlivostech.

První pokusy s kvantovou teleportací se začaly ve světě objevovat v polovině devadesátých let minulého století. Jednou z vůdčích osobností v tomto oboru se přitom stal vídeňský profesor Anton Zeilinger, který také provedl vůbec první úspěšný experiment se samostatným fotonem. Kvantová teleportace nachází široké uplatnění právě v kvantovém počítání. Jedním z výzkumných týmů zabývajících se zpracováním kvantové informace je i brněnská skupina při Fakultě informatiky Masarykovy univerzity (více informací na http://quantum.fi.muni.cz/). Dalším českých výzkumným týmem, jenž se zaměřuje na kvantové procházky – jev, který lze též využít v kvantovém počítání – je skupina z Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské Českého vysokého učení technického v Praze, jíž byl ve spolupráci s odborníky z německého Max Planck Institute for the Science of Light otištěn v dubnu letošního roku na toto téma článek v časopisu Science, jednom z nejvlivnějších vědeckých listů (více o týmu prof. Jexe z FJFI ČVUT, který se kvantovou informací a procházkami zabývá, zde).

 Zdroje: Nature, Physicsworld, Quantum.at

Atominfo.cz

1 Comment

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..