Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 25 – vyšlo 16. července, ročník 19 (2021)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Kvantový internet

Petr Kulhánek

Právě před třiceti lety, v srpnu 1991, předal anglický počítačový expert Tim Berners-Lee světu k užívání protokol www (World Wide Web), který umožnil vznik celosvětové sítě internet. Stalo se tak v částicovém komplexu CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web., kde vyvstala potřeba sdílení dat mezi jednotlivými počítači. Asi nikdo tenkrát netušil, k jakým převratným technologiím nová počítačová síť povede. Vznik internetu nepochybně posunul naši civilizaci zcela novým a netušeným směrem. A právě o třicet let později jsme svědky počátků kvantové sítě, jejímž cílem bude spojit na velké vzdálenosti různá kvantová zařízení – kvantové počítačeKvantový počítač – počítač využívající k zápisu informace kvantově mechanické vlastnosti částic, například spin elektronů, spin atomových jader nebo jiné vlastnosti kvantově se chovajících objektů. Kvantový počítač nese současně informaci o všech možných hodnotách kvantované veličiny, a tím provádí paralelně výpočet všech možností, které mohou nastat. Výpočet je mnohonásobně efektivnější než u klasického počítače. Základní jednotka informace se nazývá qubit (kvantový bit). Zatím jsou kvantové počítače ve stádiu ověřování principů., kvantové senzory a další kvantové objekty. Situace se opakuje: tušíme, že nám kvantový internet otevře řadu nevídaných možností a vzniknou zcela nové technologie, ale sotva si dokážeme představit, kam civilizaci kvantový internet za několik desetiletí dostane. Počáteční krok byl učiněn. Nizozemský vědecký tým pod vedením profesora Ronalda Hansona vytvořil první kvantovou síť ze tří uzlů pojmenovaných Alice, Bob a Charlie (personifikace nahrazuje suchopárné označení A, B a C), která propojuje dvě laboratoře výzkumného centra QuTechQuTech – společné výzkumné centrum Delftské technologické univerzity a nizozemského Centra aplikovaného výzkumu TNO, které vzniklo v roce 2013. QuTech je samostatným výzkumným ústavem orientovaným na vývoj kvantových technologií. V roce 2019 byla podepsána smlouva s holandskou telefonní společností KPN, jejímž cílem je vývoj prostředků pro kvantovou komunikaci na velké vzdálenosti, mj. vznik kvantového internetu. – společného pracoviště Delftské technologické univerzityTU Delft – Delftská technologická univerzita, Technische Universiteit Delft, nejstarší a největší technologická univerzita v Holandsku. Byla založena Williamem II v roce 1842. Má osm fakult a řadu výzkumných ústavů, přes 26 000 studentů a 6 000 zaměstnanců. a Centra aplikovaného vědeckého výzkumu TNOTNO – Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek, česky Aplikovaný vědecký výzkum. Holandská organizace založená v roce 1932, vv současnosti má přes 3400 profesionálů zabývajících se špičkovým výzkumem pro vývoj nejrůznějších technologií..

Kvantový internet propojí kvantová zařízení do celosvětové sítě. Zdroj: Elektor.

Qubit – kvantová verze bitu neboli kvantový bit, základní jednotka informace podléhající kvantové logice. Klasický bit je buď ve stavu |0⟩, nebo |1⟩. Qubit zahrnuje navíc všechny superpozice α|0⟩+β|1⟩. Konkrétní hodnotu |0⟩, nebo |1⟩ nabude teprve v okamžiku měření. Element kvantové informace zavedl Benjamin Schumacher roku 1995. Na qubit lze také pohlížet jako na virtuální částici a v analogii k antičásticím lze zavést rovněž antiqubit nesoucí zápornou informaci.

Kvantový počítač – počítač využívající k zápisu informace kvantově mechanické vlastnosti částic, například spin elektronů, spin atomových jader nebo jiné vlastnosti kvantově se chovajících objektů. Kvantový počítač nese současně informaci o všech možných hodnotách kvantované veličiny, a tím provádí paralelně výpočet všech možností, které mohou nastat. Výpočet je mnohonásobně efektivnější než u klasického počítače. Základní jednotka informace se nazývá qubit (kvantový bit). Zatím jsou kvantové počítače ve stádiu ověřování principů.

Kvantový stav – soubor pozorovatelných parametrů kvantového systému, kterými je systém plně charakterizován. Popis stavu musí respektovat omezení kvantové mechaniky na současnou měřitelnost či neměřitelnost veličin. Například základní energetický stav atomu značíme symbolem |S>, vakuový stav symbolem |0>, živou kočku označíme |Ž>, mrtvou kočku |M> a podobně. Kvantový stav je zpravidla charakterizován sadou kvantových čísel a je matematicky vyjádřen tzv. vlnovou funkcí (prvkem Hilbertova prostoru stavů).

Provázaný stav – entanglement, kvantově korelovaný stav systému dvou a více částic, v němž nemá smysl mluvit o stavech jednotlivých složek. Například z provázaného stavu dvojice fotonů nelze vyjádřit stavy jednotlivých fotonů. Značíme |AB>+|XY>, což znamená, že najdeme-li první částici ve stavu A, je druhá ve stavu B. Je-li první ve stavu X, pak druhá je ve stavu Y. Měřením provedeným na jedné částici se dozvíme určitou informaci o částici druhé. Je to způsobeno tím, že mají společnou minulost. Někdy se také hovoří o propletených stavech.

Od qubitu ke kvantové síti

Vlastnosti objektů mikrosvěta jsou natolik odlišné od všeho, co známe, že nám jejich chování často připomíná nadpřirozené schopnosti pohádkových postav. Co by každý z nás dal za obyčejnou superpozici stavů umožňující být na dvou místech naráz nebo zažívat současně dvě různé situace, a to bez použití drog. V běžných médiích je kvantová informace zapsána jako posloupnost dvou stavů, které považujeme za nulu a jedničku. Jeden takový záznam nazýváme bitbit – základní jednotka klasické informace, která nabývá dvou hodnot (ano/ne), (0/1), (pravda/nepravda) atd. Násobnou jednotkou je kilobit označující 2¹⁰ = 1024 možností. Termín zavedl Claude Elwood Shanon coby zkratku anglického termínu binary digit. Fyzikální realizace bitu si žádá systém se dvěma dobře definovanými stavy – například logický obvod bez napětí a s napětím.. V kvantovém světě můžeme informace zapsat jako superpozici obou hodnot, tedy nuly i jedničky. V takovém případě hovoříme o nositeli informace jako o kvantovém bitu neboli qubituQubit – kvantová verze bitu neboli kvantový bit, základní jednotka informace podléhající kvantové logice. Klasický bit je buď ve stavu |0⟩, nebo |1⟩. Qubit zahrnuje navíc všechny superpozice α|0⟩+β|1⟩. Konkrétní hodnotu |0⟩, nebo |1⟩ nabude teprve v okamžiku měření. Element kvantové informace zavedl Benjamin Schumacher roku 1995. Na qubit lze také pohlížet jako na virtuální částici a v analogii k antičásticím lze zavést rovněž antiqubit nesoucí zápornou informaci.. V qubitu je zapsána současně nula i jednička a teprve v okamžiku měření se realizuje jeden z těchto stavů. Přirozený paralelizmus je zde zcela viditelný. První qubity byly vytvořeny jako superpozice dvou energetických stavů iontů rubidia či cesia, které byly drženy v elektromagnetické pasti. Dnes se qubity realizují většinou jako superpozice dvou stavů Josephsonova spojeJosephsonův jev – jev, při kterém dva supravodiče oddělíme tenkou vrstvou izolantu tak, aby Cooperovy páry mohly tunelovat izolantem. Rozhraním poteče elektrický proud, jehož velikost závisí na vnějším magnetickém poli a teplotě. Využívá jej například senzor magnetického pole SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Součástka založená na Josephsonově jevu se nazývá Josephsonův spoj. (viz AB 38/2017) případně jako superpozice dvou stavů nějaké struktury v pevné látce. Je jedno, kolik laserů a jakou kryogenní techniku k vytvoření qubitu potřebujeme. Důležité je, že qubity umíme spolehlivě nejen vytvořit, ale i ovládat a provádět s nimi kvantové logické operace. Současné kvantové počítačeKvantový počítač – počítač využívající k zápisu informace kvantově mechanické vlastnosti částic, například spin elektronů, spin atomových jader nebo jiné vlastnosti kvantově se chovajících objektů. Kvantový počítač nese současně informaci o všech možných hodnotách kvantované veličiny, a tím provádí paralelně výpočet všech možností, které mohou nastat. Výpočet je mnohonásobně efektivnější než u klasického počítače. Základní jednotka informace se nazývá qubit (kvantový bit). Zatím jsou kvantové počítače ve stádiu ověřování principů. zvládají využívat kolem padesáti qubitů (viz AB 37/2017, 38/2017), které jsou spolu provázanéProvázaný stav – entanglement, kvantově korelovaný stav systému dvou a více částic, v němž nemá smysl mluvit o stavech jednotlivých složek. Například z provázaného stavu dvojice fotonů nelze vyjádřit stavy jednotlivých fotonů. Značíme |AB>+|XY>, což znamená, že najdeme-li první částici ve stavu A, je druhá ve stavu B. Je-li první ve stavu X, pak druhá je ve stavu Y. Měřením provedeným na jedné částici se dozvíme určitou informaci o částici druhé. Je to způsobeno tím, že mají společnou minulost. Někdy se také hovoří o propletených stavech.. Provázanost stavů je dalším z kvantových kouzel. Pokud jsou dva objekty provázané, umožňuje měření na jednom z nich zjistit některé vlastnosti druhého z nich, aniž bychom u něho fyzicky měření provedli. Na první pohled to připomíná šíření informace nekonečnou rychlostí, ale musíme si uvědomit, že k provázání vlastností těchto objektů došlo zpravidla na jednom místě, a teprve poté byly podsvětelnou rychlostí dopraveny na dvě různá místa.

Nejjednodušší kvantová síť se dvěma uzly vznikne, pokud jsme schopni nějak dopravit qubitQubit – kvantová verze bitu neboli kvantový bit, základní jednotka informace podléhající kvantové logice. Klasický bit je buď ve stavu |0⟩, nebo |1⟩. Qubit zahrnuje navíc všechny superpozice α|0⟩+β|1⟩. Konkrétní hodnotu |0⟩, nebo |1⟩ nabude teprve v okamžiku měření. Element kvantové informace zavedl Benjamin Schumacher roku 1995. Na qubit lze také pohlížet jako na virtuální částici a v analogii k antičásticím lze zavést rovněž antiqubit nesoucí zápornou informaci. z jednoho místa na druhé. Zpravidla se tak děje po optických vláknech, ale ztrátovost qubitů je značná. V experimentech prováděných ministerstvem energetiky Spojených států se podařilo qubity dopravovat do vzdálenosti necelých 100 kilometrů. Řešením kvantového spojení na větší vzdálenost je provázanostProvázaný stav – entanglement, kvantově korelovaný stav systému dvou a více částic, v němž nemá smysl mluvit o stavech jednotlivých složek. Například z provázaného stavu dvojice fotonů nelze vyjádřit stavy jednotlivých fotonů. Značíme |AB>+|XY>, což znamená, že najdeme-li první částici ve stavu A, je druhá ve stavu B. Je-li první ve stavu X, pak druhá je ve stavu Y. Měřením provedeným na jedné částici se dozvíme určitou informaci o částici druhé. Je to způsobeno tím, že mají společnou minulost. Někdy se také hovoří o propletených stavech.. Pokud vytvoříme dva provázané qubity, dopravíme je nějak do dvou různých míst, například optickými vlákny s kvantovými opakovači, raketou, či nějakou formou kvantové teleportace (viz AB 33/2017), a podaří se nám provázanost dlouhodobě udržet, máme vyhráno. Pro další funkci takové qubity už fyzickou linku, která by je spojovala, nepotřebují. Jakmile se podaří vytvořit infrastrukturu provázaných qubitů, kouzlo kvantové sítě začíná. Dosud se dařilo takto kvantově propojit jen dva uzly. Nejdelší vzdálenosti dosáhl čínský kvantový experiment z roku 2017, kdy se podařilo vytvořit a udržet dva provázané qubity na vzdálenost až 1 400 kilometrů. Jeden byl v pozemní stanici a druhý v družici MiciusMicius – čínská družice pro kvantové technologie, která byla na oběžnou dráhu vynesena dne 17. srpna 2016 na palubě nosné rakety Dlouhý pochod 2D. Oficiální název družice je QUESS (QUantum Science Experiment Satellite). V červenci 2017 se podařila kvantová teleportace fotonů na vzdálenost 1 400 kilometrů. Téhož roku se uskutečnila distribuce kvantového klíče šifrované zprávy na vzdálenost 7 500 kilometrů. Alternativní název Micius je vytvořen ze jména čínského filosofa ze 4. století před naším letopočtem. určené pro kvantové experimenty.

Umělecká představa dvou provázaných kvantových objektů (například elektronů).
Zdroj: Peter Jurik, Adobe Stock.

Cílem mnoha vyspělých zemí je zvládnout klíčové kvantové technologie natolik, aby bylo možné vytvořit kvantovou síť s mnoha uzly, nejprve v rámci jednotlivých zemí a poté celosvětově. Takové experimenty se konají v USA, Číně, Evropské unii i v dalších územních celcích. Většinou se hovoří o časovém horizontu dvou a více desítek let. Rozsáhlá kvantová síť bude obdobou současného internetu, ale sotva ho kdy nahradí. Kvantové operace s informacemi vůbec nepřipomínají to, na co jsme zvyklí, a poslat obyčejný email po kvantové síti nebude možné. Kvantový internet bude určen pro speciální technologie, které jsou klasickými prostředky z principu nedosažitelné. Pravděpodobně tak budou vedle sebe koexistovat jak klasické, tak kvantové sítě. Uveďme dvě typické oblasti využití rozsáhlých kvantových sítí. První z nich je vytvoření kvantového superpočítače. Mnoho kvantových procesorů bude spojených kvantovými linkami. I kdyby měl každý z kvantových procesorů „jen“ 50 provázanýchProvázaný stav – entanglement, kvantově korelovaný stav systému dvou a více částic, v němž nemá smysl mluvit o stavech jednotlivých složek. Například z provázaného stavu dvojice fotonů nelze vyjádřit stavy jednotlivých fotonů. Značíme |AB>+|XY>, což znamená, že najdeme-li první částici ve stavu A, je druhá ve stavu B. Je-li první ve stavu X, pak druhá je ve stavu Y. Měřením provedeným na jedné částici se dozvíme určitou informaci o částici druhé. Je to způsobeno tím, že mají společnou minulost. Někdy se také hovoří o propletených stavech. qubitůQubit – kvantová verze bitu neboli kvantový bit, základní jednotka informace podléhající kvantové logice. Klasický bit je buď ve stavu |0⟩, nebo |1⟩. Qubit zahrnuje navíc všechny superpozice α|0⟩+β|1⟩. Konkrétní hodnotu |0⟩, nebo |1⟩ nabude teprve v okamžiku měření. Element kvantové informace zavedl Benjamin Schumacher roku 1995. Na qubit lze také pohlížet jako na virtuální částici a v analogii k antičásticím lze zavést rovněž antiqubit nesoucí zápornou informaci. (současný stav), kvantová síť umožní vytvořit superpočítač s několika tisíci provázanými qubity. Takový superstroj bude schopen například dělat komplikované výpočty struktur látky složené z mnoha atomů a molekul, které jsou nerealizovatelné jak klasickými, tak samostatnými kvantovými počítači. Druhou často zmiňovanou technologií je kvantové šifrování. Klasicky šifrovaná zpráva potřebuje klíč distribuovaný od odesílatele k příjemci. Takový klíč je vždy v principu možné dekódovat, i když to může být natolik složité, že to agent – škůdce nezvládne. Bezpečnost je dána pouze kvalitou zakódování zprávy. Kvantově šifrované zprávy z principu nemůže dešifrovat třetí osoba. Kvantový klíč může být realizován jako provázané páry qubitů, z nichž je jedna část distribuována od odesílatele k příjemci. Přečtení klíče vždy znamená výběr jednoho stavu z celé superpozice, tedy likvidaci této superpozice. Jeho přečtení je proto pro odesílatele snadno zjistitelné, a pokud klíč přečetl někdo jiný, prostě zprávu neodešle. Kvantové kódování bude užitečné například pro bankovní sektor. Uvedené dva příklady jsou ukázkami v současnosti představitelných kvantových technologií. Kvantový internet ale zcela jistě přinese tisíce nových technologií, které si dnes ještě vůbec představit nedokážeme a které využívají vlastnosti částic na elementární úrovni.

Delftský experiment

První víceuzlovou kvantovou síť se podařilo zprovoznit v letošním roce v nizozemském výzkumném centru QuTechQuTech – společné výzkumné centrum Delftské technologické univerzity a nizozemského Centra aplikovaného výzkumu TNO, které vzniklo v roce 2013. QuTech je samostatným výzkumným ústavem orientovaným na vývoj kvantových technologií. V roce 2019 byla podepsána smlouva s holandskou telefonní společností KPN, jejímž cílem je vývoj prostředků pro kvantovou komunikaci na velké vzdálenosti, mj. vznik kvantového internetu. týmu pod vedením profesora Ronalda Hansona. Jako qubityQubit – kvantová verze bitu neboli kvantový bit, základní jednotka informace podléhající kvantové logice. Klasický bit je buď ve stavu |0⟩, nebo |1⟩. Qubit zahrnuje navíc všechny superpozice α|0⟩+β|1⟩. Konkrétní hodnotu |0⟩, nebo |1⟩ nabude teprve v okamžiku měření. Element kvantové informace zavedl Benjamin Schumacher roku 1995. Na qubit lze také pohlížet jako na virtuální částici a v analogii k antičásticím lze zavést rovněž antiqubit nesoucí zápornou informaci. posloužily dva stavy dusíkové vakanceDusíková vakance – porucha v krystalické mříži diamantu, která je tvořena dvojicí vázaných poruch: chybějícím atomem uhlíku a v jeho blízkosti vázaným atomem dusíku. Elektrony v takovéto párové poruše jsou mimořádně citlivé na elektrické a magnetické pole. Dusíková vakance může sloužit jako citlivý senzor, qubit nebo jako základní prvek pevnolátkového maseru za pokojové teploty. v krystalické mříži diamantu. Qubity jsou spolu s malým kouskem diamantu umístěny na třech deskách plošných spojů, které představují jednotlivé uzly sítě. Alice a Charlie (A, C) mají po jednom qubitu, který zajišťuje komunikaci (tzv. komunikační qubit). Bob (B) má dva qubity, jeden komunikační a jeden paměťový – ten umožňuje zapamatování konkrétního spojení pro další využití. Desky plošných spojů umožňují přivést elektrický signál. Samotné qubity jsou ovládány laseryLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu., které dokážou s qubity provádět operace a číst jejich stav. Uzel Alice je umístěn v jedné místnosti, uzly Bob a Charlie v druhé místnosti.

Umělecká představa sítě se třemi uzly vytvořené v nizozemském QuTech. Komunikační qubity jsou vykresleny modře, paměťový qubit červeně. Modré spojnice představují kvantovou provázanost jednotlivých uzlů, červené linie jsou laserové impulzy ovládající qubity. Zdroj: QuTech.

1: základní konfigurace; 2: provázání komunikačních qubitů A, B. 3: Kopírování informace do paměťového qubitu. 4: provázanost komunikačního qubitu A a paměťového qubitu B. 5: provázání komunikačních qubitů B, C. 6: provázání obou qubitů v B. Výsledek: všechny qubity jsou navzájem provázané a tvoří kvantovou síť. Bílé linie představují optická vlákna, tj. fyzickou komunikaci. Kresba autor.

Uzly Alice a Bob jsou umístěny v různých místnostech a jsou spojeny optickým vláknem (1), které v první fázi zajistí provázanost komunikačních qubitů Alice a Boba (2). Jako další krok je v Bobovi zkopírována informace z komunikačního do paměťového uzlu (3). V tu chvíli je provázán komunikační qubit Alice s paměťovým qubitem Boba (4). Uvolněný Bobův komunikační qubit je v dalším kroku provázán s komunikačním qubitem Charliho (5). Děje se tak opět prostřednictvím optického vlákna, které spojuje Boba s Charliem. Posledním krokem je provázání komunikačního a paměťového qubitu v Bobovi (6). Jakmile se tak stane, jsou provázány všechny čtyři qubity a dokonce existuje kvantové spojení mezi Alicí a Charliem, aniž by mezi nimi bylo spojení fyzické. Mezi Alicí a Charliem žádné optické vlákno není. Detaily naleznete buď v publikaci [1] nebo v doprovodném videu v závěru bulletinu. Zkonstruovaný prototyp kvantové sítě se třeni uzly bude nyní sloužit k ověřování funkčnosti základních principů kvantových sítí. Jde o jeden z dílčích kroků, které ve finále povedou k plnohodnotnému kvantovému internetu.

Optická lavice kolem jednoho uzlu sítě. Zdroj: QuTech.

Video na závěr

Kvantová síť se třemi uzly vytvořená v holandském výzkumném centru QuTechQuTech – společné výzkumné centrum Delftské technologické univerzity a nizozemského Centra aplikovaného výzkumu TNO, které vzniklo v roce 2013. QuTech je samostatným výzkumným ústavem orientovaným na vývoj kvantových technologií. V roce 2019 byla podepsána smlouva s holandskou telefonní společností KPN, jejímž cílem je vývoj prostředků pro kvantovou komunikaci na velké vzdálenosti, mj. vznik kvantového internetu.
ověřila základní principy pro kvantový internet budoucnosti. Zdroj: QuTech.

Odkazy