Nedávno vědci z Číny a Jižní Koreje slavili úspěch v odhalování vlastností neutrin (viz zde a zde). Přispěli k pochopení oscilací neutrin, které patří mezi „speciality“ kvantového světa. Experimenty popisované nyní studují vlastnosti, které se také nevyskytují v klasické ale pouze kvantové fyzice a ukazují možnosti využití propletení kvantových stavů při kvantové teleportaci.
Propletené stavy
Specifickým kvantovým vlastnostem se věnuje článek o podivnostech kvantového světa. Vysvětluje i jak propletené stavy vznikají. V kvantovém světě je stav částice nebo systému částic popsán vlnovou funkcí. Měřitelné fyzikální veličiny, jako jsou rychlost, hybnost, energie částice nebo dalších objektů tato funkce přímo neudává, ale mohou z ní být získány. Velmi často však vlnová funkce neumožňuje pro konkrétní jedno měření určit přesné hodnoty měřitelných veličin, ale pouze pravděpodobnost, se kterou se při měření vyskytne určitá hodnota příslušné veličiny.
V kvantové fyzice se zavádí qbit, což je kvantový ekvivalent klasického bitu. Zatímco klasický bit může nabývat pouze hodnoty 0 nebo 1, kvantový qbit je vlastně přenesení kvantového stavu popsaného vlnovou funkcí, který je superpozicí dvou čistých stavů a při měření dává s danou pravděpodobností hodnotu 0 a 1. Pochopitelně mezi možnými stavy jsou i čisté stavy, kdy dostaneme hodnotu 0 nebo 1 se stoprocentní pravděpodobností a druhý stav s pravděpodobností nulovou. Pokud by se využívaly pouze tyto dva čisté stavy, přejde se od práce s qbity k práci s klasickými bity.
Práce s qbity a vlastnostmi kvantových stavů umožňuje provádět řadu výpočetních operací, které klasické počítání neumožňuje. Proto když se podaří zkonstruovat kvantové počítače, přinese to radikální pokrok nejen ve výpočetní technice.
Pokud v nějakém uzavřeném systému částic pro danou fyzikální veličinu platí zákon zachování, změření konkrétní hodnoty této veličiny u jedné z částic určuje, jakou hodnotu mají dohromady zbylé částice. Protože kvantová funkce je popsána pro celý systém v prostoru a kvantová teorie je nelokální (změny při měření nastávají v jediném okamžiku v celém prostoru), při změření hodnoty dané veličiny u jedné částice z tzv. propleteného kvantového stavu dvou částic je hodnota této veličiny u druhé částice okamžitě dána bez ohledu na jejich okamžitou vzdálenost.
Propletené stavy lze využít k teleportaci kvantové informace. S kolegou (říkejme mu klasicky „Bob“, naše funkce je označována jako „Alice“), se kterým si chceme kvantové stavy přenášet, si každý vezmeme jednu částici z kvantového propleteného systému, který jsme obdrželi od „Charlieho“. Když budeme chtít teleportovat kvantový stav, který Charlie dodal nám (Alici) i Bobovi, provedeme s tímto kvantovým stavem a svoji částí propleteného systému specifické měření. Tímto měřením (hovoří se o měření Bellova stavu) dojde díky nelokálnosti kvantové fyziky a společné vlnové funkci k ovlivnění Bobovy částice. Pokud mu klasickou cestou pošleme výsledek našeho měření, bude vědět, jakým způsobem reprodukovat na své části propleteného systému kvantový stav, který mu chceme předat.
K ovlivnění druhé částice z propleteného stavu sice dochází okamžitě, ale reprodukci přenášeného kvantového stavu může kolega provést jedině po obdržení výsledku měření provedeného na první částici propleteného stavu. A výsledek se dá posílat nejrychleji rychlostí světla, takže nedochází k přenosu informace nadsvětelnou rychlostí a narušení kauzality. Paradoxem je i to, že kvantový stav, který je odesílán, se na jednom místě interakcí (měřením) zničí, zároveň se ale na místě jiném pomocí druhé částice z původní kvantově propletené dvojice znovu vytvoří. Stále však máme pouze jeden tento stav. Nejde tak provádět klonování kvantových stavů.
Nové úspěchy s kvantovou teleportací na velkou vzdálenost
Jak bylo popsáno v článku o podivnostech kvantového světa, kvantovou teleportaci šlo zatím testovat na vzdálenosti několika kilometrů. Propletené stavy se daří získávat u fotonů a dalších částic, atomů i komplexnějších systémů. Testy teleportace na velké vzdálenosti probíhají právě s využitím polarizovaných fotonů a právě polarizace těchto částic a její vzájemná souvislost u páru fotonů v propleteném stavu umožňuje studium kvantové teleportace. Podrobnější vysvětlení pojmu polarizace u světla a souvislost se spinem a helicitou fotonů je ve zmíněném článku. Důležité je, že přenos se musí uskutečňovat pomocí jednoho fotonu, který nesmí během své existence interagovat tak, aby došlo ke kolapsu vlnové funkce a zrušení původního kvantového propleteného stavu. Nelze tak použít zesilovač na dráze sloužící k přenosu kvantových stavů od vysílače k přijímači. Při prvních experimentech se zkoušelo hlavně posílání kvantových stavů a teleportace pomocí optických vláken. Nyní se přechází k přenosu volným prostorem. Cílem je možnost kvantové komunikace v dosahu odpovídajícímu vzdálenosti telekomunikačních satelitů alespoň na nízkých oběžných drahách, aby bylo možné využívat při komunikaci výhod kvantové kryptografie. Ta umožňuje velice spolehlivé zašifrování komunikace i její bezpečnost při pokusu o odposlouchávání jinou osobou, která by svým měřením propletené stavy narušila. Takové zničení příslušného kvantového stavu by odposlech prozradilo.
V květnu letošního roku vyšlo několik článků, které referovaly o úspěších v kvantové teleportaci na velmi velkou vzdálenost. V předchozím článku byl popisován úspěšný přenos na vzdálenost 18 km. Zmiňoval se i o čínském experimentu X.-M. Yina a jeho kolegů, který se týkal kvantové teleportace na vzdálenost 16 km. V novém experimentu, který provedli také čínští fyzikové a prvním autorem publikace je rovněž Juan Yin, se podařila kvantová teleportace na vzdálenost 97 km přes jezero Quinghai v západní Číně. Propletené stavy fotonů vědci vytvářeli pomocí svazku ultrafialového světla z laseru o výkonu 1,3 W a speciální optické sestavy. Ta obsahuje nelineární krystaly, většinou známé jako BBO (podle jejich chemického složení - BaB2O4), které dokáží vytvořit z jednoho fotonu dvojici polarizovaných fotonů v kvantovém propleteném stavu. K lepšímu pochopení si můžeme pokus popsat následovně: Máme část označenou opět jako „Charlie“. Ta vytvoří dvojici částic v propleteném stavu. Jeden foton z tohoto páru pošle do části „Alice“, která je blízko. Druhý do vzdálenější části „Bob“, přičemž se jako vysílač použije dalekohled (refraktor) o průměru 127 mm. „Bob“ na opačné straně jezera jako přijímač využívá zrcadlový teleskop s průměrem 400 mm. Charlie vytvoří pomocí stejného ultrafialového laseru pro Alici stav, který potřebuje teleportovat. Alice jej nechá interagovat s původním propleteným fotonem, který má u sebe. Zároveň pošle výsledky svého měření pomocí klasického bezdrátového spojení Bobovi. Ten pak může pomocí své části propleteného systému a výsledků vlastního měření rekonstruovat její teleportovaný kvantový stav. Pochopitelně jsou při takové komunikaci velké ztráty a je třeba posílat velký počet fotonů. Samotná rekonstrukce také není dokonalá, protože fotony mohou cestou interagovat a tímto „měřením“ dojde ke zničení propleteného kvantového stavu. K synchronizaci celého systému se využívá GPS. Úspěšnost teleportace s využitím šesti různých kvantových stavů byla u zachycených a testovaných teleportací zhruba 80 %. Vzhledem k velké vzdálenosti byly totiž i při využití dalekohledu značné ztráty v kvantovém kanále přenosu až na úrovni 35 - 53 dB.
Pokrok je hlavně v tom, že se testoval nejen přenos propleteného stavu, kolaps jeho vlnové funkce a korelace mezi polarizací jeho dvou částic, jako ve většině předchozích experimentů, ale přímo celý proces kvantové teleportace. I když stále zůstávají slabá místa, například zdrojem teleportovaných kvantových stavů byl stejný laser produkující propletené stavy a k testovacímu měření u skupiny Alice došlo ještě před tím, než druhý foton z propleteného stavu dorazil ke skupině Bob, je už celý proces mnohem blíže budoucím potřebám při reálném využívání kvantové teleportace.
Minulý článek rovněž popsal případ testování přenosu a zachování propleteného stavu a jeho kolapsu na vzdálenost 144 km, který se odehrával mezi dvěma lokalitami v Kanárském souostroví. V tomto případě se jako vysílač využíval přístroj na ostrově La Palma (Jacobus Kapteyn Telescope), kde je Charlie a Alice a jako přijímač je teleskop, který je součástí Optical Ground Station (OGS) organizace ESA na ostrově Tenerife, kde je Bob. Průměr přijímacího detektoru je jeden metr. Těsně po oznámení výsledku čínské skupiny oznámila nové výsledky i skupina pracující právě na Kanárských ostrovech. Tým vedený Antonem Zeilingerem tentokrát netestoval pouze zachování propleteného stavu. Při tak velké vzdálenosti částic provedl i celý proces kvantové teleportace. Tento extrémní výkon se vědcům podařil díky řadě vylepšených technologií, s jejichž pomocí získali daleko intenzivnější zdroj propletených fotonů. Detekci prováděli fyzikové pomocí velmi citlivých jednofotonových detektorů s velmi nízkým šumem. Velkou výzvou pak byla časová synchronizace. Její přesnost na úrovni 10 ns, jež se u tohoto experimentu dala dosáhnout pomocí GPS, nepostačovala, proto se využila nově vyvinutá metoda využívající právě testování pomocí kvantově propletených stavů.
V tomto případě se fyzikové museli vypořádávat i se značnou nepřízní počasí včetně k písečné bouře a sněžení. To, že se jim i za zhoršených podmínek dařilo realizovat kvantovou teleportaci, je dobrou předzvěstí možnosti komunikace se satelity na nízké oběžné dráze. Ty sice létají ve vzdálenostech nad zemským povrchem, které jsou třikrát větší než vzdálenost, na které probíhal pozemní pokus, ale vrchní vrstvy atmosféry jsou mnohem průhlednější, takže existuje naděje, že by se tato komunikace mohla zdařit.
Ještě jeden rekord
Týká se dalšího nedávného čínského experimentu popsaného v publikaci, v níž prvním autorem je Xing-Can Yao. Je z poloviny minulého roku a týká se propleteného stavu obsahujícího osm fotonů. Pokud neurčitost stavu, v němž se konkrétní foton nachází, přirovnáme k proslulé Schrödingerově kočce, která je zároveň mrtvá a živá, tak v tomto případě je těchto koček osm pohromadě. Pokrok v této oblasti začal v roce 1999, kdy se podařilo vytvořit propletený kvantový stav se třemi fotony. Pak se postupně počet zvyšoval až na šestici propletených fotonů.
Nyní bylo možné díky už zmíněnému velmi intenzivnímu zdroji dvojic fotonů v propleteném kvantovém stavu dosáhnout propleteného stavu osmi fotonů. Velmi vysoká intenzita je nutná kvůli tomu, že v téměř stejném časovém okamžiku je třeba vytvořit pomocí čtyř nelineárních BBO krystalů čtyři dvojice fotonů v propleteném kvantovém stavu. Ty se pak pomocí speciálního interferometru spojí do propleteného kvantového stavu osmi fotonů. Laser v ultrafialové oblasti s vlnovou délkou 390 nm vytvářel pulz délky 120 fs s opakovací frekvencí 76 MHz. Velkou výzvou je dokonalá časová synchronizace vytváření čtyř dvojic fotonů v propleteném stavu. I při zmíněné vysoké intenzitě a frekvenci se za hodinu dařilo vytvářet pouze zhruba devět skupin zmíněných osmi fotonů v propleteném kvantovém stavu. Jednoduchá nebyla ani analýza a potvrzení jejich vzniku. K tomu se dospělo až určením polarizace každého z fotonů. Studium takových stavů je důležité nejen z pohledu základního výzkumu vlastností kvantového světa, ale je také důležitým krokem ke kvantovým výpočtům a počítačům.
Závěr
I ze srovnání současného stavu s tím, který byl popsán v předchozím článku zhruba před dvěma roky, je vidět, že nejen v oblasti kvantové teleportace dochází k rychlému pokroku. Zlepšuje se efektivita produkce propletených kvantových stavů i jejich přenosu na stále větší vzdálenosti. Daří se také provádět stále komplikovanější operace na stále složitějších kvantových systémech. Zatím všechny experimenty potvrzují platnost kvantové fyziky a umožňují stále podrobněji studovat její fundamentální vlastnosti i dotýkat se jejich filosofické interpretace. Navíc se stále více blížíme praktickému využití těchto vlastností v kvantové kryptografii i kvantových počítačích a výpočtech.
Pokrok v oblasti kvantové fyziky je postaven na průmyslovém a technologickém zázemí. Na jeho rozvoj se Čína již delší dobu zaměřuje, a proto není překvapením, že se do role lídra propracovává jak v oblasti teorie, tak i praxe, což dokládají její úspěchy v jaderné energetice, výzkumu neutrin, geneticky modifikovaných organismů,… Svědčí o tom i právě probíhající let tříčlenné posádky čínských kosmonautů k předem vyslanému modulu, předstupni stálé kosmické stanice. Evropa má zatím ještě v některých oblastech předstih, ale ten díky odklonu od racionality, vědy a techniky směrem k iracionalitě a mystice, rychle ztrácí. Bohužel si hodně lidí neuvědomuje, že vysoká životní úroveň a sociální zabezpečení jsou dány právě úrovní vědy, techniky a průmyslu.
Příslušné originální články jsou zde, zde a zde. Popularizovány byly nejen na serveru PhysOrg. Doporučení hodna je i přednáška Antona Zeilingera o kvantové fyzice a hlavně kvantové teleportaci. Mimo jiné je v ní názorně vysvětleno, jak se odliší, jestli výsledek měření je dán teprve tímto aktem, nebo už byl determinován předtím (popsáno pomocí barev kostek skrytých pod sousedními kyblíčky - zda byly definovány před jejich odkrytím nebo „vznikly“ až při odkrývání).
Diskuze:
