Kvantová teleportace na rekordní vzdálenosti

 

 

 

V poslední době se podařilo dosáhnout několika významných posunů rekordů v teleportaci kvantových stavů na co největší vzdálenost. Charakteristické je, že velká část těchto úspěchů se podařila dosáhnout v Číně, která postupně přebírá štafetu hlavního nositele nejen průmyslového ale i vědeckého a technologického rozvoje. Jasně se ukazuje, že pokrok průmyslu je podmínkou i rozvoje vědeckého poznání.

 

 

Nedávno vědci z Číny a Jižní Koreje slavili úspěch v odhalování vlastností neutrin (viz zde a zde). Přispěli k pochopení oscilací neutrin, které patří mezispeciality“ 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 konkrétní hodnoty měřitelných veličin, ale pouze pravděpodobnost, se kterou se vyskytne při měření daná konkrétní 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 a kvantové počítání a kvantové počítače by umožnily radikální pokrok nejen ve výpočetní technice.

Pokud pro danou fyzikální veličinu platí v nějakém uzavřeném systému částic zákon zachování, povede změření dané konkrétní hodnoty této veličiny u jedné z částic k tomu, že zbývající částice musí mít dohromady takovou hodnotu této veličiny, aby se příslušný zákon zachování dodržel. 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 klasickyBob“, naše funkce je označována jakoAlice“), se kterým si chceme kvantové stavy přenášet, si každý vezmeme jednu částici z kvantového propleteného systému, který jsme obdrželi odCharlieho“. Když budeme chtít teleportovat kvantový stav, který nám také dodal Charlie svému kolegovi 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 částice u kolegy. Pokud mu pošleme klasickou cestou výsledek svého měření, bude vědět, jakým způsobem reprodukovat na své části propleteného stavu 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 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 interakcí s propleteným stavem zničí, ale na jiném místě se u kolegy pomocí druhé částice propleteného stavu znovu vytvoří. Stále však máme pouze jeden tento stav. Nejde tak provádět klonování kvantových stavů.

 

 

Schéma experimentu, který teleportoval kvantový stav na vzdálenost 97 km. Část a) je Charlie, která vytváří propletené kvantové stavy a rozesílá je, část b) je Alice, která je blízko a část c) je Bob daleko za jezerem. (Zdroj arXiv:1205.2024v1).

 

Nové úspěchy s kvantovou teleportací na velkou vzdálenost

 

Jak bylo popsáno v článku o podivnostech kvantového světa, šlo zatím testovat kvantovou teleportaci 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. Podrobněji je vysvětlení pojmu polarizace u světla a souvislost se spinem a helicitou fotonů v předchozím 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 jednak umožňuje velice spolehlivé zašifrování komunikace a zároveň vede k tomu, že každý pokus o její odposlouchávání jinou osobou vede k narušení propletených stavů měřením a k odhalení případného odposlechu. Příslušný kvantový stav je při odposlechu zničen a tím se pokus o odposlech prozradí.

 

 

Schéma experimentu s teleportací kvantového stavu na vzdálenost 97 km a závislosti úspěšnosti (Fidelity) přenosu v závislosti na velikosti pozadí (Dark Counts) a velikosti zeslabení (Loss) při přenosu (zdroj arXiv:1205.2024v1).

 

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. Jina 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 BBO (jejich chemické složení je 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 jakoCharlie“. Ta vytvoří propletený stav. Jeden foton z propleteného stavu pošle do částiAlice“, která je blízko. Druhý se pomocí dalekohledu (refraktoru) o průměru 127 mm, který funguje jako vysílač, posílá do částiBob“. Ta využívá jako přijímač zrcadlový teleskop s průměrem 400 mm a je na opačné straně jezera. Charlie vytvoří pomocí stejného ultrafialového laseru pro Alici stav, který potřebuje teleportovat. Alice jej nechá interagovat s původním propleteným fotonem, který u sebe. Zároveň pošle výsledky svého měření pomocí klasického bezdrátového spojení skupině Bob. Ta pak může pomocí své části propleteného systému a informace o výsledku měření skupiny Bob 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 interagovat cestou a tímtoměřenímdojde 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 na úrovni 35 - 53 dB.

 

 

Budova observatoře Jacobus Kapteyn Telescope na ostrově La Palma (Kredit: stránky observatoře).

 

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 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 jeho částic provedla i celý proces kvantové teleportace. Tento extrémní výkon se jim podařil díky řadě vylepšených technologií, s jejichž pomocí vědci získali daleko intenzivnější zdroj propletených fotonů. Detekci prováděli fyzikové pomocí velmi citlivých jednofotonových detektorů s velmi nízkým šumem. Velkou výzvou pak byla časová synchronizace. Hodnota dosažitelná v daném místě pomocí GPS byla 10 ns a nepostačovala, takže se využila nově vyvinutá metoda využívající právě testování pomocí kvantově propletených stavů.

 

 

Teleskop observatoře OGS organizace ESA na ostrově Tenerife je velmi specifický. Byl vybudován pro optickou komunikaci a tak se sklopit do polohy vodorovně s terénem. (Kredit: ESA).

 

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.

 

 

 

Schéma optické sestavy, která dokáže vytvořit propletený kvantový stav osmice fotonů (Kredit: arXiv:1105.6318v1).

 

Ještě jeden rekord

 

Týká se 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, ve kterém je konkrétní foton, 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 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 dařilo vytvářet pouze zhruba devět zmíněných osmi fotonů v propleteném kvantovém stavu za hodinu. 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.   

 

 

Dva způsoby, jak pomocí interference vytvořit ze čtveřice dvoufotonových propletených stavů vytvořit jeden propletený stav osmi fotonů (Kredit: arXiv:1105.6318v1).

 

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 se dotýkat 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 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: http://www.youtube.com/watch?v=s3ZPWW5NOrw. Mimo jiné je v ní názorně vysvětleno, jak se odliší, jestli výsledek měření je dán teprve tímto aktem nebo byl determinován předtím (popsáno pomocí barev kostek skrytých pod sousedními kyblíčky - zda byly definovány před jejich odkrytím nebovznikly při odkrývání).

 

V Řeži 20. 6. 2012


Zpet