Jak o něj soupeří USA s Čínou a v čem spočívá výhoda kvantové kryptografie? O futuristickém tématu jsme hovořili s Antonínem Černochem z Fyzikálního ústavu AV ČR (ZDE) v aktuálním čísle časopisu A / Věda a výzkum (ZDE), který vydává Akademie věd ČR.

Posádka vesmírné lodi Enterprise se z oběžné dráhy vydává na povrch neznámé planety. Použije k tomu transportér, který ji přenese na přesně zvolené místo. Po dokončení úkolu se ocitá opět v transportéru na palubě lodi. Nejprve se objeví světelné kužely, z nichž se po chvíli zformují těla vesmírných hrdinů. Na podobný druh cestování narazíme nejen v seriálu Star Trek. Stačí vzpomenout Rumburaka nebo přemisťující se pekelníky v pohádce S čerty nejsou žerty.

Teleportace v podobě nehmotného přenosu nějakého objektu na dálku zůstává doménou sci-fi, fantasy či pohádek. Jako taková ale není jen výmyslem spisovatelů či filmových tvůrců. Naopak – věnuje se jí poměrně značná vědecká pozornost. V olomoucké Společné laboratoři optiky Přírodovědecké fakulty UP a Fyzikálního ústavu AV ČR se badatelům loni podařil experiment, při kterém jako první na světě experimentálně ověřili kontrolovanou teleportaci kvantových bitů.

Je zcela přirozené, že nám při čtení těchto slov vytane na mysli zmíněná scéna ze Star Treku. Skutečnost je sice daleko střízlivější, ale stále pozoruhodná. Vědci nepřenesli určitou částici, ale její kvantový stav, který si můžeme představit jako informaci. Badatelé ji zakódovali do fotonu, protože s touto částicí v olomoucké optické laboratoři běžně pracují. Použili trojici fotonů, které byly navzájem kvantově provázané.

Propojení Alice a Boba

Odborníci na kryptografii v sedmdesátých letech minulého století vymysleli postavičky Alice a Boba, které se postupem času začaly používat jako ilustrační příklad komunikace mezi body A a B. Představme si, že Alice chce Bobovi teleportovat vlastnosti fotonu označeného písmenem P. K tomu je zapotřebí provázaný pár fotonů A a B. Foton A si nechá Alice, foton B si vezme Bob. Teleportace spočívá v tom, že Alice provede společné měření na fotonech A a P. Tím se vlastnosti fotonu P díky kvantové provázanosti automaticky projeví na fotonu B, který má Bob. To ale nestačí. K dokončení teleportace musí Alice nějakou klasickou cestou dát Bobovi vědět, co přesně naměřila. Třeba mu zatelefonovat nebo poslat e-mail. Zmíněným měřením fotony P a A automaticky zanikají a zůstává jen foton B, který je – po jednoduché úpravě odvislé od výsledku Alicina měření – identický s původním fotonem P.

Anebo jiný příklad – vezmeme do ruky dvě hrací kostky a házíme je obě najednou. Hodíme poprvé, padnou dvě trojky, podruhé padnou dvě šestky, potřetí dvě pětky atd. Čísla na kostkách padají sice náhodně, ale vždy se shodují. Mezi kostkami je nějaký vztah. Obdoba tohoto souznění mezi kvantovými částicemi se nazývá kvantové provázání. Je to magie kvantové mechaniky. Jedna částice může být v New Yorku, druhá v Londýně, ale díky společné vlnové funkci se chovají jako jeden celek. Takto propojené fotony mohou vzniknout například ve speciálním nelineárním krystalu, do kterého se svítí laserovým svazkem.

Vědci v Olomouci jako první s přesností 83 procent provedli kontrolovanou teleportaci kvantových bitů. Dosud kvantová teleportace probíhala mezi dvěma uživateli. Jeden informaci posílal a druhý přijímal, přičemž její výměnu nešlo ovlivnit. Proto odborníci ze Společné laboratoře optiky vytvořili skupinu tří uživatelů, z nichž libovolný vždy rozhoduje o tom, jestli k teleportaci kvantového stavu – a tím i přenosu informace mezi dvěma zbylými uživateli – dojde, nebo ne. V soustavě hraje roli jakéhosi kontrolora. Proto se tento typ teleportace nazývá kontrolovaná. Důležité přitom je, že dané komunikační trojúhelníky se mohou řetězit a vytvořit celou 2D síť, která by se v budoucnu mohla stát podkladem pro celosvětový kvantový internet.

Souboj o kvantové prvenství

V jeho vývoji jsou nejdál USA a Čína – soupeří spolu o dominanci na poli kvantové informatiky. Bílý dům loni oznámil financování strategické vize kvantových sítí v USA. Plán předpokládá, že soukromé společnosti a národní laboratoře budou v příštích pěti letech spolupracovat v oblasti základního a aplikovaného výzkumu. Existují už prototypy kvantových sítí, na předměstí Chicaga se podařilo sestavit 83 kilometrů dlouhou smyčku.

Čína nezůstává pozadu. Oblast kvantové informatiky označila za klíčové pole své třinácté pětiletky, která skočila loni. Během ní se povedlo kvantovou sítí propojit více než 1200 kilometrů vzdálená města Peking a Šanghaj. V roce 2017 se Číňanům dokonce podařilo teleportovat fotony mezi stanicí v Tibetu v nadmořské výšce přes 4000 metrů a satelitem na oběžné dráze ve výšce až 1400 kilometrů. Čínští odborníci spekulují, že „kvantová hegemonie“ může určovat budoucnost mezinárodní politiky. „Uvedené zahraniční příklady představují komunikační linky o dvou stranách. My jsme provedli třístrannou, přičemž jedna z nich může ovládat komunikaci mezi zbylými dvěma,“ vysvětluje Antonín Černoch z Fyzikálního ústavu AV ČR.

Kvantová teleportace označuje přenos kvantových bitů, takzvaných qubitů. Jedná se o mnohem složitější nosič informace, než je klasická, založená na principu jedniček a nul. Kvantový bit může být současně jedničkou i nulou. „Kvantový stav může nést nekonečné množství klasických bitů,“ přibližuje Antonín Černoch. Pokud necháme qubity komunikovat, interaguje spolu nepředstavitelné množství informací. Zákony kvantové informatiky proto není snadné pochopit.

Kvantový internet bude bezpečnější. Když se do komunikační sítě kdokoli nabourá, okamžitě se to projeví. Pro kvantovou mechaniku totiž platí, že jakákoli interakce v síti ji zároveň pozměňuje. Například hackerský útok by se tak u kteréhokoli z provázaných uživatelů, bez ohledu na jejich vzdálenost, projevil. Díky tomu by byl záškodník lokalizován nebo by se mu jednoduše přerušilo spojení. Od kvantové kryptografie si ostatně mnozí slibují dosud nevídané možnosti. Práce olomouckých vědců může přispět k praktickému využití i v této oblasti.

Inženýři na tahu

Antonín Černoch a jeho kolega Karel Lemr vycházeli z teoretického návrhu teleportace kvantového stavu od polského spolupracovníka Artura Barasinského. „My jsme ho upravili tak, aby byl realizovatelný. Samotná stavba pokusu netrvala zase tak dlouho, protože navázala na naše předchozí vícefotonové experimenty,“ uvádí Antonín Černoch. Výsledky práce otiskl mezinárodní časopis Physical Review Letters. Jedná se o základní výzkum, k jehož praktickému využití je zapotřebí invence inženýrů, kteří vymyslí komunikační protokol a dovedně vše poskládají.

Pro přenos kvantových bitů v internetu jsou zapotřebí komunikační vlákna. Ve standardních optických sítích se signál po určitých vzdálenostech zesiluje v takzvaných opakovačích. Ovšem kvantovou informaci nelze zesílit, aniž bychom ji tím nepoškodili. Proto se k prodloužení komunikační vzdálenosti používají kvantové opakovače, které fungují na principu teleportace.

Dočkáme se někdy i efektního přesunu v prostoru, jak ho známe z populárních filmů? Antonín Černoch je skeptický. Přenášet lze jen informaci, nikoli hmotné předměty. „Atom fyzicky z jednoho místa na druhé přenášet není možné.“ A tak si podobné děje budeme zřejmě jen prohlížet na plátnech kin a televizních obrazovkách.

Tento článek i další zajímavé texty najdete v časopise A / Věda a výzkum, který vydává Akademie věd ČR ZDE.