Kvantové teleportace zabrání dle vědců ztrátám v komunikačních kanálech. Jejich výzkum se může hodit při budování ,nového‘ internetu

Při zaslechnutí slova teleportace se mohou mnoha lidem vybavit filmy žánru sci-fi. Nyní však vědci prokázali, že právě díky ní lze zabránit ztrátě komunikačních signálů na kvantové úrovni. Tým složený z australských a amerických výzkumníků upozornil na problémy související s inherentní ztrátou, k níž dochází v každé formě komunikačního kanálu, a objevil mechanismus, který ji může snížit. Zjištění je podle vědců důležitým krokem k implementaci takzvaného kvantového internetu. Ten má uživatelům přinést bezprecedentní možnosti, které na tom současném nejsou k dispozici.

Současný koncept internetu vznikl v 60. letech minulého století a původně sloužil jako technologie pro strategické a vojenské použití. V dalších desetiletích se zvolna stal součástí běžného života. Jeho základní jednotkou informace je jeden bit. V případě kvantového internetu se pak jedná - poněkud logicky - o bit kvantový.

Něco takového nicméně vyžaduje zcela jiný koncept, protože kvantové bity vytvářejí prostředí odlišné od běžného internetu, na který jsme dnes zvyklí - je založeno na atomech, elektronech a dalších částicích i objektech podléhajících pravidlům kvantové mechaniky.

Hackeři přijdou zkrátka

Při využívání současné podoby internetu putuje zpráva víceméně přímočaře mezi dvěma stranami. Během cesty se signály, která zprávu přenášejí, zhoršují. Opakovače čtou signály, zesilují je a opravují chyby. Tento proces však umožňuje hackerům zachytit zprávy.

Zabezpečení dat je v současnosti v centru zájmu světových velmocí, a tak do vývoje této technologie proudí velké finance například z USA nebo Číny. Kvantová zpráva by však tentýž problém neměla - kvantové sítě využívají částice světelných fotonů k odesílání zpráv, které jsou vůči kybernetickým útokům nezranitelné, neboť místo šifrování zprávy pomocí matematiky spoléhají na pravidla kvantové fyziky.

S kvantovými informacemi nelze zprávy zkopírovat a ani se na ně ani podívat, aniž by byly změněny. Ve skutečnosti jen pokus o jejich zachycení je zničí, jak poznamenal magazín Wired. To by umožnilo šifrování, které by bylo mnohem bezpečnější než cokoliv, co je dnes k dispozici.

Kvalitnější komunikace na velké vzdálenosti

Kvantové šifrování na krátkou vzdálenost se již komerčně používá, ale pokud by mělo dojít k implementaci globální kvantové sítě, pak se ztráta fotonů stává problémem. Nová studie je první, která demonstruje metodu redukce chyb vedoucí ke zlepšení výkonu přenosového kanálu.

Ve svém experimentu vědci nejprve ,obětovali‘ foton, který nenesl žádné užitečné informace, takže jeho ztráta nepředstavovala problém. Dopad ztráty je totiž možné korigovat pomocí lineárního zesilovače, který může obnovit narušený kvantový stav (soubor vlastností) objektu. Pokud ten bude při obnově úspěšný, lze použít další čistě kvantový protokol k teleportování přenášených informací do opraveného nosiče, čímž se technicky vzato dá veškerým ztrátám vyhnout.

Práce vědeckého týmu implementuje takzvané kvantové relé, což je klíčová složka této komunikační sítě na dlouhé vzdálenosti. Fungující dálkový kvantový komunikační kanál potřebuje mechanismus ke snížení ztráty informací, což je přesně to, čeho vědecký tým ve svém experimentu dosáhl. Dalším krokem bude snížení chyb na úroveň, kdy by výzkumníci mohli implementovat dálkovou kvantovou kryptografii a otestovat metodu s využitím skutečné infrastruktury.

Sázka na velký počet družic na orbitu

Zmíněný koncept kvantové teleportace hraje u kvantového internetu velice důležitou roli. V rámci teleportace sdílejí dvě komunikující strany dvojici vzájemně provázaných částic. Tato provázanost je obvykle zajištěna párem fotonů, jež se nacházejí ve stejném kvantovém stavu. Když jsou odeslány na různá místa, může být provázanost, která je spojuje, využita k odesílání zabezpečených zpráv.

Problém je v tom, že ona provázanost je křehká a těžko se zachovává. Jakákoliv malá interakce mezi jedním z fotonů a jeho prostředím může toto spojení přerušit, což se stává tehdy, když se přenos uskutečňuje přímo atmosférou nebo optickými vlákny. Zatím se proto celá akce odehrává jen na vzdálenost několika set kilometrů.

Zásadní otázkou dalšího výzkumu je, jak nejlepším způsobem distribuovat tyto provázané páry částic lidem po celém světě. Jednou z možností je použít ,kvantové opakovače‘ - zařízení, jež měří kvantové vlastnosti fotonů, když dorazí, a pak tyto vlastnosti přenesou na fotony nové, které jsou odeslány. Tato technologie je však vysoce experimentální a vzdálená řadu let od komerčního využití.

Vědecký tým z Louisiana State University je přesvědčen, že úspěch kvantového internetu je založen na masivní konstelaci družic na oběžné dráze, které budou schopny nepřetržitě vysílat fotony na Zem ke dvěma různým základnám. Kolik přesně by jich mělo být a v jaké výšce by se měly pohybovat, nicméně zatím nespecifikovali. Co se samotné komunikace týče, klíčovým požadavkem pro zajištění její bezpečnosti je pak to, aby obě pozemní stanice byly schopny registrovat stejný satelit současně a mohly z něj tak provázané fotony přijímat.

Bezpečný a rychlý zároveň

Navzdory celé řadě nevyřešených technických problémů odborníci předpovídají, že globální kvantová síť bude spuštěna do roku 2030. A kdo ví, možná se tak stane ještě o dost dříve - Čína už ostatně na oběžnou dráhu jednu kvantovou družici vypustila a pomocí 4600 kilometrů dlouhé kvantové sítě spojila Peking se Šanghají.

Časopis Cosmos na téma kvantového internetu uvádí, že jakmile se jej podaří zavést ve velkém měřítku, bude mít lidstvo k dispozici tak rychlý komunikační nástroj, že i vzdálené hodiny by mohly být synchronizovány asi tisíckrát přesněji, než jak je tomu zásluhou hodin atomových možné nyní. Také navigace GPS se díky němu stane o poznání spolehlivější, přičemž bez povšimnutí nelze nechat ani fakt, že by jeho zavedení mohlo teoreticky umožnit i teleportování fotonů z různých dalekohledů po celé Zemi, čímž by tak vznikla jakási obří virtuální observatoř.