Vědci z Kalifornského technologického institutu, NASA Jet Propulsion Laboratory a Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) zřídili dvě testovací pracoviště vybavená nejmodernějšími kvantovými zařízeními. Jejich cílem bylo otestovat teleportování kvantových informací na vzdálenost 44 kilometrů.
Odborná práce „Teleportation Systems Toward a Quantum Internet“, publikovaná v časopise PRX Quantum, poprvé obsahuje teoretický model experimentálního zapojení. Výsledky výzkumu představují důležitý krok při budování kvantového internetu budoucnosti, který by znamenal převrat v oblasti zabezpečené komunikace, ukládání dat, přesného snímání a výpočetní techniky.
Další krůček na dlouhé cestě
V kvantovém internetu jsou informace uložené v qubitech nebo též kvantových bitech, což je kvantový ekvivalent počítačových bitů. Zatímco jeden bit může nabývat pouze dvou hodnot – jedna, nebo nula – qubit může kromě hodnot 0 a 1 nabývat i takzvané „superpozice“.
V takovém případě konkrétní hodnotu nabude až v okamžiku měření a může například nabývat hodnoty 0 i 1 současně. Do určité míry tuto vlastnost popisuje myšlenkový experiment z roku 1935 známý pod označením Schrödingerova kočka.
Informace v kvantovém internetu mají být přenášeny, respektive teleportovány na velké vzdálenosti prostřednictvím kvantového zapletení či provázání. To je jev, při kterém dvě částice vzájemně interagují, ačkoli je od sebe odděluje obrovská vzdálenost.
Klíčovým rysem kvantových sítí je jejich přesnost neboli kvalita teleportace, která charakterizuje, nakolik odpovídá teleportovaný qubit svému originálu. V nové studii byla kvantová teleportace provedena s přesností více než devadesát procent.
„Jsme velmi hrdí na to, že jsme dosáhli tohoto milníku udržitelných, velice výkonných a škálovatelných kvantových teleportačních systémů,“ říká profesorka fyziky a vedoucí výzkumného programu Maria Spiropulu. „Výsledky budou dále vylepšeny upgradem systému, jehož dokončení očekáváme do druhého čtvrtletí roku 2021.“ Vysoká přesnost je důležitá zejména pro kvantové sítě určené k připojení pokročilých kvantových zařízení.
Okénko do budoucnosti
Měření byla provedena na zkušebních stanovištích Kalifornského technologického institutu a Fermi National Accelerator Laboratory vybavených teleportačními systémy. Tato jedinečná testovací síťová zařízení využívají nejmodernější detektory, jež nabízejí téměř autonomní sběr, kontrolu, monitorování, synchronizaci a analýzu.
Teleportační systémy, které jsou kompatibilní se stávající telekomunikační infrastrukturou a nově vznikajícími zařízeními pro kvantové zpracování a ukládání dat, představují významný krok směrem k praktickému kvantovému internetu.
Sítě FQNET a CQNET se v současné době používají ke zlepšení přesnosti a rychlosti distribuce s důrazem na složité kvantové komunikační protokoly. Sítě jsou pro účely výzkumu a vývoje přístupné odborníkům napříč obory. Slouží jak základní kvantové informatice, tak pro vývoj pokročilých kvantových technologií.
Světlou budoucnost této technologie předpovídá americký fyzik a současný prezident Kalifornského technologického institutu Thomas Felix Rosenbaum: „Působivá demonstrace kvantové teleportace v realistických podmínkách realistickými rychlostmi nás přibližuje k využívání výhod kvantového provázání v kvantových sítích.“
Základem je teleportace
Použité teleportační systémy navrhli, zkonstruovali a zprovoznili experti v rámci programu Intelligent Quantum Networks and Technologies (IN-Q-NET). Ten byl zahájen v roce 2017 a podílí se na něm vědci z celé řady institucí a firem.
Kvantová teleportace je jedním z jevů kvantové fyziky. Jde o přenos stavu mezi částicemi na velké vzdálenosti. Nejedná se ovšem o transport částic jako takových – přenáší se pouze jejich kvantový stav. Částice, mezi kterými dochází k přenosu, musí být kvantově provázané.
Na projektu pracují odborníci na fyziku, kvantovou optiku, kvantovou informatiku a z řady dalších oborů. Spolupracují na něm i vědci z jiných institucí – například z Univerzity v Calgary, Harvardu či telekomunikační společnosti AT&T.
Na další stránce se dozvíte více o dosavadních úspěšných experimentech, možnostech praktického využití a dalších zajímavých věcech.
Úspěšné experimenty
V roce 2016 provedli vědci z NASA Jet Propulsion Laboratory první experimenty s kvantovou teleportací v metropolitní optické kabelové síti. Ve spolupráci s Univerzitou v Calgary teleportovali přes optický kabel pod městem kvantový stav fotonu na vzdálenost více než 6 kilometrů. Jednalo se o první úspěšný test uskutečněný v běžné síťové infrastruktuře.
Další z experimentů, jež prakticky ověřil funkčnost tohoto řešení, proběhl v roce 2017. Čínští fyzici tehdy úspěšně přenesli kvantový stav částice ze satelitu do pozemních stanic na vzdálenost 1200 kilometrů, čímž překonali předchozí světový rekord.
V únoru 2020 se vědci z Argonne National Laboratory v USA a University of Chicago pochlubili tím, že úspěšně dosáhli kvantového provázání. Dvě částice byly spojeny tak, že jejich stavy byly stejné, přestože je dělila vzdálenost bezmála 84 kilometrů. V tomto směru jde o chování hmoty a energie v nejmenším měřítku, které se zásadně liší od světa, jež můžeme vidět kolem nás.
Ohýbání reality? Nikoli – realita!
Kvantová teleportace je základní technologií, jež z laického pohledu může působit jako ohýbání reality. Věda za těmito procesy je komplikovaná a donedávna vlastně neexistovala mimo laboratorní prostředí.
Zapletení či provázání je ohromující koncept, ve kterém mohou být částice s různými charakteristikami nebo stavy spojeny dohromady. To znamená, že když něco ovlivní stav jedné částice, bude mít tato změna vliv i na druhou, ačkoli ta se může nacházet někde úplně jinde.
Zjednodušeně si celý proces můžete představit tak, že máte dva fotony – říkejme jim foton 1 a foton 2. Foton 2 odešlete na nějaké jiné místo, kde se „setká“ s fotonem 3. Oba fotony na sebe budou reagovat – například stav fotonu 3 lze přenést na foton 2. Tento stav se následně automaticky teleportuje do fotonu 1.
Implementace kvantové teleportace v reálných podmínkách může znamenat revoluci v moderní telefonní a internetové komunikaci. V konečném důsledku povede například k nepředstavitelně bezpečnému zasílání šifrovaných zpráv a dat, neboť komunikaci mezi provázanými částicemi nelze nijak zachytávat ani odposlouchávat.
Praktické využití
Tento systém velmi bezpečné komunikace je testován v řadě oblastí. Kromě finančnictví a bankovnictví může najít využití například u NASA, která chce chránit své vesmírné datové přenosy. Klíčovým nástrojem jsou supravodivé detektory fotonů vyvinuté vědci z Národního institut standardů a technologií.
Jedním z problémů této technologie je, že posílání fotonů na velké vzdálenosti nevyhnutelně vede ke „ztrátě“ signálu. Dokonce i při použití laseru ve vesmíru se světlo na větší vzdálenosti rozptyluje a oslabuje sílu přenášeného signálu.
Důležitým krokem tedy bude konstrukce opakovačů (repeaterů), které dokážou dále teleportovat stav fotonu z jednoho místa na druhé. Podobně, jako se síťové opakovače používají k přenosu telekomunikačních signálů na velké vzdálenosti, by kvantové repeatery sloužily k teleportaci provázaných fotonů.
Supercitlivé fotonové detektory by umožňovaly opakovačům posílat zapletené fotony po celé zeměkouli. „Díky použití supravodivých detektorů můžeme použít jednotlivé fotony k efektivní komunikaci jak klasických, tak kvantových informací z vesmíru na zem,“ říká Matt Shaw z NASA.
„Plánujeme použití pokročilejší verze těchto detektorů pro demonstraci optické komunikace z hlubokého vesmíru a kvantové teleportace z Mezinárodní vesmírné stanice.“ dodává Shaw. Podobně, jako u klasického internetu, lze i u toho kvantového předpokládat, že ho nejdříve budou využívat vědecké, vládní a vojenské instituce, pro něž bude mít význam především kvůli zabezpečení dat.
Aby bylo možné realizovat funkční kvantový internet, budeme potřebovat hardware, který ještě nebyl vyvinut. Nyní tedy nelze směrodatně říci, kdy přesně bude kvantový internet spuštěn. Číňané, kteří se tomuto tématu intenzivně věnují, odhadují, že první fáze by mohla začít již v roce 2030.
