Šéfové čínského kosmického programu asi mají důvod ke spokojenosti. Jednomu z série velkých vesmírných experimentů, které mají Čínu dotáhnout mezi mocnosti v kosmickém výzkumu, se už po několika měsících provozu podařilo dosáhnout kýženého úspěchu. Týmu čínských fyziků se podařilo uskutečnit přenos „kvantového signálu“ ze Země na oběžnou dráhu a zase zpět. Úspěch popisuje práce zveřejněná v časopisu Science.
Nejde o nějakou fyzikální „podivnost“, tento typ kvantové komunikace muže mít celou řadu velmi praktických použití. Postup by mohl být využitelný výhledově při tvorbě zcela nové generace počítačů (kvantových počítačů). V dohledné době by mohl velmi prakticky sloužit například pro zabezpečení a ověřování během přenosu dat (tj. například k detekci odposlechu). Což je extrémně zajímavé nejen pro vlády, či tajné služby, ale také například finanční instituce - a s nárůstem internetové kriminality samozřejmě i pro řadu dalších uživatelů.
Nejde o první pokus o kvantovou komunikaci na větší (tj. řádově alespoň stokilometrové) vzdálenosti, ale jde o první pokus o realizaci technicky náročného spojení s rychle se pohybujícím satelitem na oběžné dráze. Stejně jako předchozí pokusy, mnohé z nich čínské, probíhá s pomocí párů dvou tzv. kvantově provázaných částic. To znamená, že tyto částice jsou - a to je jen přirovnání, nikoliv popis reality - „propojeny“. Když jednu z nich změříte, zjistíte, že druhá z nich se zachová jako by byla součástí jednoho většího systému, byť je fyzicky mohou dělit stovky kilometrů, jako v případě tohoto pokusu (zájemci najdou podrobnější vysvětlení v boxu na konci článku).
Jak se to dělá
Experimenty s tímto typem kvantové komunikace probíhají tak, že jeden foton si vědci nechají na místě (v optickém kabelu), druhý pošlou na cestu k vzdálenému cíli. Cesta je to poměrně zrádná, protože s provázanými fotony se musí zacházet šetrně, a o své „podivné“ vlastnosti snadno přijdou třeba v důsledku srážky s jinou částicí. také není možné signál jen tak jednoduše zesílit, a v kabelech i při přenosu vzduchem tak velmi rychle slábne.
Přesně to je, mimochodem, důvod, proč je krok mimo atmosféru tak zajímavý a důležitý: prstencem kvantových satelitů v téměř dokonalém vakuu na oběžné dráze by přenos provázaných částic byl mnohem méně ztrátový, a tedy jednodušší a účinnější. Je to nejlepší známý způsob, jak kardinálním problém se ztrátami během přenosu obejít.
V počátcích experimentů zhruba v 70. letech experimenty s tímto jevem začínaly v miniaturních vzdálenostech na laboratorním stole. Vzdálenosti postupně narůstaly, až v roce 2012 poprvé padla hranice stovky kilometrů. Výsledky čínského týmu z nejnovějšího vydání Science popisují přenos na vzdálenost až 1 200 kilometrů.
Pouť signálu začínala u pozemní laserové stanice k satelitu Mocius (či Mo-c’), který Čína právě pro účely tohoto experimentu vypustila v roce 2016. Jméno dostal podle čínského filozofa z 5. století př.n.l., který psal i o optice. Na palubě družice paprsek vstoupil do speciálního krystalu, který pak vyzářil dvojici kvantově provázaných fotonů (s opačnou polarizací). Fotony pak zamířily směrem k dvěma pozemním stanicím, které leží obě v řídkém vzduchu tibetské náhorní plošiny, aby ztráty v atmosféře byly co nejmenší.
Tým úspěšně změřil celkem zhruba tisíc párů, což je samozřejmě jen zlomek z celkového množství provázaných částic, které na satelitu vznikly (podařilo se zachytit jen jeden ze šesti milionů). Navíc systém pracoval jenom v noci, proud slunečních fotonů by vysílání zcela zašuměl. Na praktické využití je tedy evidentně příliš brzy, na druhou stranu na první pokus to vůbec není špatný výsledek. Dá se předpokládat, že pokud princip funguje, jak se zdá, různá technická vylepšení mohou účinnost výrazně zlepšit. (dnes například neexistují použitelné kvantové „zesilovače“, protože ty běžné narušují provázání částic, ale pracuje se na nich).
Kvanta a kvanta (peněz)
Čínský tým evidentně doufá, že vylepšování bude probíhat poměrně rychle. Časopisu Science řekli, že do pěti let by chtěli vypustit nějaký prakticky využitelný „kvantový“ satelit či satelity. Zatím je však ještě čeká poměrně zajímavý vědecký program i se stávající družicí Mocius. Například by chtěli zapojit do pokusů i kolegy z Rakouska. To znamená, že by chtěli jednu provázanou částici udržet na palubě satelitu, dokud ten se nedostane na dohled přijímače u našich jižních sousedů. Tým už také podle časopisu Nature provedl pokus o tzv. kvantovou teleportaci, ale prý ještě není připraven zveřejnit výsledky.
Rakousko není vybráno náhodou. Šéf čínského týmu Ťien-Wej Pchan (v anglickém přepisu Jian-Wei Pan) dělal doktorát ve Vídni u velké postavy kvantové experimentální fyziky Antona Zeilingera. Pak se vrátil do Číny, která mu nabídla skutečně velkorysé podmínky: vše vyvrcholilo „Kvantovým projektem v kosmickém měřítku“ s rozpočtem 100 milionů dolarů, v jehož rámci byl vypuštěn i Mocius.
Rakouský a čínský tým se dlouho „přetahovaly“ v rekordních pokusech. Zeilinger s kolegy byli například první, kdo pokořil hranici sto kilometrů. Ale v posledních letech, zdá se, Evropa trochu zaostala. Zeilinger se už několik let pokouší ESA přesvědčit, aby vypustila vlastní kvantový satelit, a i když má poměrně silné slovo (byl například předsedou rakouské obdoby Akademie věd), zatím se mu to nepodařilo a čínští experimentátoři ty evropské výrazně předběhli.
To neznamená, že by se výzkum „kvantové komunikace“ mimo Čínu vůbec neprováděl. Malý kvantový satelit chce vypustit Kanada (experiment už má na letadle ověřený systém vysílání kvantového signálu ze Země k satelitu). Singapurští fyzici mají spolupracovat s australskými kolegy na zkoušce kvantové komunikace mezi dvěma satelity. A společný evropsko-americký tým alespoň navrhuje umístění speciálního kvantového zařízení na ISS. Mělo by například ověřovat, zda se podaří kvantové provázání udržet v mikrogravitaci lépe či hůře než na Zemi, tedy zda existuje nějaká souvislost mezi provázáním a gravitací, což je prý pole zatím experimentálně nezorané.
Ovšem čínský tým se na podobné experimenty na palubě Mociusu chystá také. Zdá se, že Čína udělala „kvantový skok“ vpřed, který se zatím daří podstatně lépe než Velký skok před půlstoletím. Ťien-Wej Pchan to podle BBC řekl ještě jasněji: „Myslím, že jsme zahájili vesmírný kvantový závod.“
Rozdáváme klíčeaneb Jak kvantově šifrovat Využití kvantové mechaniky v kryptografii může do budoucna být velmi rozmanité, my se pokusíme na následujících řádcích jednoduše popsat jeden relativně jednoduchý a zřejmě i prakticky použitelný způsob. Při něm kvantové provázání neslouží přímo k přenosu informace, ale jen k předání klíčů k odemčení zakódovaných zpráv, které putují běžnými kanály. Autor se pokusil učinit popis co nejjednodušší a nejsrozumitelnější a mnohé vynechal. Pokud máte pocit, že to bylo na úkor srozumitelnosti vysvětlení, či hůře jeho faktické správnosti, dejte nám vědět v diskusi. A nyní do toho: V základu celého nápadu stojí jeden pro naší intuici těžko pochopitelný kvantový mechanismus: tzv. kvantově provázaní (někdy se používá i v češtině anglický výraz entaglement, wiki zde). Tak se označuje to, že některé „systémy“ - od páru částic po soubor atomů či mikroskopické objekty - se na pohled chovají, jako kdyby byly spojeny neviditelným poutem (to je jen příměr, ve skutečnosti to tak podle všeho není, fanoušci červích děr apod. prominou). Můžete si to představit na příkladu dvou hracích kostek vzdálených stovky kilometrů od sebe, které mají tu zvláštnost, že dávají vždy stejný výsledek. Když vám na první padne šestka, a vy pak přeletíte k druhé a hodíte jí, padne vám také šestka. Tak hodíte znovu, padne jednička, vy znovu budete cestovat, hodíte druhou kostkou – a vida jednička. V praktických podmínkách není a nemusí být úspěšnost stoprocentní, stačí při velkém počtu opakování prokázat, že měření se vzpírají statistickému očekávání klasické fyziky. Udržet nějaký „systém“, byť třeba jenom dvě částice provázané, není nic tak jednoduchého. V tomto ohledu jsou provázané částice jako dva na dálku spojené balíčky se speciálním mechanismem uvnitř. Pokud někdo jeden cestou (ať náhodou, či úmyslně) zachytí, a bude se do něj – nebo vlastně jen „na“ něj – dívat, mechanismus se spustí a obsah zdeformuje určitým způsobem podle toho, jaký nástroj dotyčný k otevření balíčku použije. Může se prodloužit/zkrátit, pokud vezmete metr, či změnit barvu, pokud si vezmete lupu. Ale vždy jde jen o tu jednu vlastnost, žádnou jinou – kompletní „otisk“ klíče udělat nelze, to je jedno z nepochopitelných a důležitých kouzel kvantové mechaniky - tzv. princip neurčitosti. V případě kvantově provázaného páru „klíčů“ platí, že změna jednoho vede k deformaci i druhého klíče. Může získat stejnou „délku“ či „barvu“ atp.. (Může získat i vlastnost přesně opačnou, tj. například opačnou polarizaci, ale důležité je, že vždy právě opačnou.) Už si asi dokážete představit, že tento jev nabízí možnost vytvoření lákavě bezpečné komunikace. Nepředpokládá se, že by k přenosu samotné informace sloužily přímo provázané částice (v experimentech se používají například provázané fotony z ultrafialových laserů). Stačí je použít vlastně jako klíč: jeden si necháte, druhý pošlete kolegovi. Pak vyrobíte další pár, znovu jeden pošlete, jeden si necháte, a tak dále znovu a stále. Svůj klíč můžete zvážit, změřit, spočítat zářezy, atp. Kolega může se svým klíčem dělat totéž měření, a pokud provede stejné měření, měl by dostat stejný výsledek. Na to se ho ovšem neptáte, jen mu pošlete výsledky svých měření. Pokud budou v těch případech, kdy měřil totéž, souhlasit s jeho, dá vám vědět zpátky, kde došlo ke shodě. Nikdy si vzájemně nevyměníte všechny výsledky, či co jste vlastně měřili, jen si řeknete, ve kterých případech jste se shodli. Oba tam v rukou máte stejné hodnoty, které nikdo kromě vás dvou neviděl. Z nich vytvoříte pak podle nějakého obecného návodu šifru, kterou nikdo jiný nemůže znát. Z vlastností klíčů také vyplývá, že kdyby se někdo pokusil jejich tok přerušit, a pokusil se je změřit, přijdete mu na to. Není to stoprocentně spolehlivé, ale už při poměrně malém počtu opakování posílání klíčů zjistíte, že něco tu nesedí. Kolegovi některé klíče dojdou se špatnými parametry, protože odposlouchávající strana svým vlastním měřením naruší provázání systému a shoda na obou koncích už nebude dokonalá. Naše vysvětlení popisuje relativně jednoduchý systém hodně zjednodušeně a spoustu důležitých věcí pomíjí, ale snad se nám podařilo vystihnout hlavní rysy takového systému kódování: nepotřebuje žádného prostředníka, samotná šifra se nikdy neposílá a „odposlech“ (nebo jinak vzniklé poruchy) lze poměrně snadno odhalit. Časem se jistě mohou objevit dnes neznámé postupy, jak podobné šifrování obejít, dnes o nich ovšem nevíme. |
