Kvantový internet se díky novým experimentům japonských a kanadských fyziků opět o krok přiblížil realitě. Vědcům se podařilo vytvořit první kvantový opakovač, který pracuje výhradně na základě zákonů fotoniky.
Internet, který dnes běžně používáme, nebyl původně navrhován s ohledem na bezpečnost. Hackerské útoky a kybernetická špionáž jsou však realitou, která každý den ohrožuje bezpečnost dat na síti. Odborníci proto hledají způsoby, jak data co nejlépe ochránit, a velké naděje vkládají právě do kvantového internetu.
Kvantový internet by měl být nejen bezpečnější, ale také rychlejší. Využívá totiž klíčové jevy kvantové fyziky, jako je kvantové provázání. Tento unikátní jev kvantové mechaniky dovoluje částicím s odlišnými kvantovými stavy sdílet mnohem užší vztah, než je tomu možné v případě klasické fyziky. Pokud jsou dvě částice provázány, můžeme zjistit stav jedné z částic měřením stavu té druhé. Ovšem jakékoliv měření systém poruší a každý narušitel bude za sebou nechávat stopu. To mu pochopitelně zabraňuje zcizit jakékoliv informace. Kvantový internet by měl umožnit bezpečnou výměnu informací pomocí kvantové superpozice stavů uložených v kvantových pamětech. Ty se zásadně liší od binárních pamětí používaných v konvenčních počítačích.
Internet je závislý na globálních sítích kabelů z optických vláken. Jelikož světelný signál ztrácí průchodem těmito kabely na dlouhé vzdálenosti svoji intenzitu, musí se do sítí v pravidelných intervalech zařazovat prvky, tzv. opakovače, které signály zesilují. V kvantové verzi internetu budou tyto klasické opakovače nahrazeny fotonickými, které budou obsahovat výhradně optické prvky, jako jsou jednofotonové zdroje, lineární optické prvky a fotonové detektory.
Fotonický kvantový opakovač navrhl tým fyziků z Japonska a Kanady poprvé v roce 2015. Teď vědci našli způsob, jak tento nápad realizovat. Podstatnou úlohu zde přitom má postup zvaný „time reversed adaptive Bell measurement“. Pro vysvětlení, adaptivní optika slouží pro korekci optických aberací a generování přesných vlnoploch nebo modifikaci laserových a optických svazků v reálném čase. „Bell measurement“ znamená propojení kvantově-mechanického měření dvou qubitů, které určuje, ve kterém ze čtyř Bellových stavů se dva qubity nacházejí.
Všechny kvantové opakovače, ať už standardní nebo výhradně optické, tento postup vyžadují. Na rozdíl od standardních kvantových opakovačů, které mohou uchovávat kvantové stavy fotonů v systému materiálu, dokud není měření dokončeno, čistě optický opakovač je implementuje časově reverzním (time reversed) způsobem použitím kvantového provázání.
Japonští fyzici připravili provázané fotony v opakovači a potvrdili, že zařízení přenáší pouze kvantové informace, které nejsou narušeny. Tím poprvé prokázali klíčový princip výhradně fotonického kvantového opakovače.
Tohoto výsledku dosáhli tak, že kvantové paměti v opakovači nahradili fotonovým „graph state“. Jde o provázaný stav tří fotonů, který je reprezentovaný grafem složeným z uzlů a hran. Uzly v tomto grafu reprezentují částice a hrany, které uzly spojují, reprezentují kvantové provázání mezi odpovídajícími částicemi.
Vědci dokázali, že jejich technika pracuje na základě generování třífotonového „graph state“ a detekování pouze těch fotonů, které úspěšně přežily cestu optickým kabelem bez jakýchkoliv ztrát.
Optický kvantový opakovač má oproti standardním kvantovým opakovačům řadu výhod. Může pracovat při pokojové teplotě, je velmi rychlý a spotřebuje málo energie. Navíc nepotřebuje žádné rozhraní (propojení) mezi fotony a hmotou, protože pracuje výhradně s optickými prvky.
Fyzici teď plánují vyvinout velký „graph state“ generátoru fotonů a optických obvodů s minimálními ztrátami, které umožní provádět „time-reversed adaptive Bell measurement“ na velkém počtu fotonů. Díky těmto obvodům budou vědci schopni optické kvantové sítě podstatně rozšířit.
Původní práce byla uveřejněna v Nature Communications.
Mohlo by vás zajímat:
Světlo
se může chovat jako magnet
Vědci
na stopě tajemství atomového jádra
Grafen
umožňuje vytvářet superizolační aerogel
Nanostruktury
inspirované přírodou mění odpadní vodu na pitnou