Jednou z praktických aplikací pokusu může být sestrojení jakéhosi kvantového relé - zařízení nezbytného pro dálkový přenos kvantových informací prostřednictvím optických vláken. Tak by bylo možné vytvořit informační síť absolutně odolnou proti hackerům.
„Kontrolovaný transfer jednoho fotonu mezi vzdálenými kvantovými paměťmi je významný krok směrem k distribuovaným kvantovým sítím,“ uvedl vedoucí výzkumného týmu, profesor Alex Kuzmich z Georgia Tech. „Ale je to jen jeden stavební blok. Bude to chtít ještě mnoho kroků a mnoho dalších let práce, než se z toho stane něco prakticky použitelného.“
Zatím pouze teoreticky existující kvantové informační systémy nepracují s bity (tedy s binárními stavy nula-jedna) jako současné elektronické systémy, ale s kvantovými bity označovanými jako qubity.
Využívají zákonů kvantové mechaniky, podle kterých může například elektron nebo jiný systém současně existovat v různých, podle zákonů „normální“ logiky neslučitelných stavech do té doby, než přijde do kontaktu s vnějším světem, kdy se jeden z těchto stavů zruší.
Pro snazší pochopení bývá uváděn příklad tzv. Schrödingerovy kočky uzavřené v krabici, kde na ni míří pistole ovládaná kvantovými jevy (někteří popularizátoři místo pistole používají ampuli s jedem).
Dokud pozorovatel krabici neotevře, není zvíře ani živé, ani mrtvé, ale cosi mezi tím - jinými slovy: qubit má (zjednodušeně řečeno) současně hodnotu jedničky i nuly. Kvantové počítače proto teoreticky mohou pracovat rychleji a s výhodou řešit mnoho úloh najednou, takže jim odborníci předpovídají skvělou budoucnost zejména v oblasti šifrování, ale patrně i v řadě dalších oborů.
Jedním z nich je bezpečný přenos dat. Mimo jiné také proto, že už ze samotné povahy kvantové informace vyplývá její destrukce při pokusu o přečtení.
Mražené atomy v pasti
Už před rokem Kuzmich a jeho spolupracovník Dzmitri Matsukevich publikovali v prestižním vědeckém časopisu Science zprávu o svém úspěšném experimentu, při kterém přenesli informaci o kvantovém atomovém stavu mezi dvěma rozdílnými shluky atomů rubidia pomocí jediného fotonu. Bylo to poprvé, kdy se podařilo převést kvantovou informaci z hmoty na světlo.
Nedávno Kuzmichův tým zveřejnil v časopisu Science informaci o svém dalším úspěšném kroku, kterým na předchozí pokus navázali. Podařilo se jim informaci uloženou ve světle nejen přenést, ale tentokrát také uchovat a vrátit zpět.
V dlouhodobé perspektivě by ukládání kvantových informací mělo umožnit konstrukci síťových prvků, které by dokázaly přenášet kvantové stavy na velké vzdálenosti prostřednictvím optických vláken.
Takové sítě se používají už nyní, jenže informaci v nich přenášejí laserem emitované světelné signály. Ty musí být po určitých vzdálenostech v síti zesilovány, aby si signál udržel potřebnou kvalitu.
Zesilovače však nelze použít pro přenos qubitů, protože by v nich došlo k destrukci přenášené informace. Vědci z Georgia Tech proto chtěli ověřit princip, na kterém by mohla pracovat jakási kvantová reléová stanice.
Základem experimentu byl oblak rubidiových atomů uskladněných v magnetooptické „pasti“ při teplotě blízké absolutní nule. Ta je nutná, aby atomy měly jen velmi omezenou možnost pohybu.
Atomy pak přivedli do vybuzeného stavu tak, aby v pravidelných intervalech vyzářily jeden foton. Četnost jeho uvolnění závisela na stavu atomů, nesl proto kvantovou informaci o jejich excitovaném stavu. Foton pak proběhl asi sto metrů dlouhým optickým vláknem a na jeho konci byl vyslán do dalšího mraku rubidiových atomů - opět uložených v magnetooptické pasti při extrémně nízké teplotě.
Kvantová informace je křehká
V této pasti vědci kontrolovali stav pomocí laserového paprsku, který však před příchodem fotonu vypnuli. Foton vybudil oblak atomů do určitého stavu. Když vědci zapnuli kontrolní laser, foton se opět uvolnil. Vědci pak z jeho kvantového stavu mohli zjistit informaci o stavu prvního oblaku atomů.
„Když první oblak vyzářil jednotlivý foton, byl ve vybuzeném stavu,“ vysvětluje Thierry Chaneliere z Kuzmichova týmu. „Když pak porovnáváme informaci získanou z druhého oblaku a zjistíme souvislost se stavem prvního, je to doklad o uchování informace nesené fotonem.“
Chaneliere ale upozorňuje, že kvantová informace je velmi křehká a k jejím zničení stačí i malý impuls zvenčí. „V současnosti se zdá, že právě v tom jsou meze pro využití kvantových jevů v datových sítích.“ Přesto chtějí badatelé z Georgia Tech v pokusech pokračovat.
Jejich dalším cílem je vytvoření sítě s několika uzly a zakódování jiné prakticky využitelné informace do fotonů přenášených v této síti.
„Kontrolovaný transfer jednoho fotonu mezi vzdálenými kvantovými paměťmi je významný krok směrem k distribuovaným kvantovým sítím,“ uvedl vedoucí výzkumného týmu, profesor Alex Kuzmich z Georgia Tech. „Ale je to jen jeden stavební blok. Bude to chtít ještě mnoho kroků a mnoho dalších let práce, než se z toho stane něco prakticky použitelného.“
Zatím pouze teoreticky existující kvantové informační systémy nepracují s bity (tedy s binárními stavy nula-jedna) jako současné elektronické systémy, ale s kvantovými bity označovanými jako qubity.
Využívají zákonů kvantové mechaniky, podle kterých může například elektron nebo jiný systém současně existovat v různých, podle zákonů „normální“ logiky neslučitelných stavech do té doby, než přijde do kontaktu s vnějším světem, kdy se jeden z těchto stavů zruší.
Pro snazší pochopení bývá uváděn příklad tzv. Schrödingerovy kočky uzavřené v krabici, kde na ni míří pistole ovládaná kvantovými jevy (někteří popularizátoři místo pistole používají ampuli s jedem).
Dokud pozorovatel krabici neotevře, není zvíře ani živé, ani mrtvé, ale cosi mezi tím - jinými slovy: qubit má (zjednodušeně řečeno) současně hodnotu jedničky i nuly. Kvantové počítače proto teoreticky mohou pracovat rychleji a s výhodou řešit mnoho úloh najednou, takže jim odborníci předpovídají skvělou budoucnost zejména v oblasti šifrování, ale patrně i v řadě dalších oborů.
Jedním z nich je bezpečný přenos dat. Mimo jiné také proto, že už ze samotné povahy kvantové informace vyplývá její destrukce při pokusu o přečtení.
Mražené atomy v pasti
Už před rokem Kuzmich a jeho spolupracovník Dzmitri Matsukevich publikovali v prestižním vědeckém časopisu Science zprávu o svém úspěšném experimentu, při kterém přenesli informaci o kvantovém atomovém stavu mezi dvěma rozdílnými shluky atomů rubidia pomocí jediného fotonu. Bylo to poprvé, kdy se podařilo převést kvantovou informaci z hmoty na světlo.
Nedávno Kuzmichův tým zveřejnil v časopisu Science informaci o svém dalším úspěšném kroku, kterým na předchozí pokus navázali. Podařilo se jim informaci uloženou ve světle nejen přenést, ale tentokrát také uchovat a vrátit zpět.
V dlouhodobé perspektivě by ukládání kvantových informací mělo umožnit konstrukci síťových prvků, které by dokázaly přenášet kvantové stavy na velké vzdálenosti prostřednictvím optických vláken.
Takové sítě se používají už nyní, jenže informaci v nich přenášejí laserem emitované světelné signály. Ty musí být po určitých vzdálenostech v síti zesilovány, aby si signál udržel potřebnou kvalitu.
Zesilovače však nelze použít pro přenos qubitů, protože by v nich došlo k destrukci přenášené informace. Vědci z Georgia Tech proto chtěli ověřit princip, na kterém by mohla pracovat jakási kvantová reléová stanice.
Základem experimentu byl oblak rubidiových atomů uskladněných v magnetooptické „pasti“ při teplotě blízké absolutní nule. Ta je nutná, aby atomy měly jen velmi omezenou možnost pohybu.
Atomy pak přivedli do vybuzeného stavu tak, aby v pravidelných intervalech vyzářily jeden foton. Četnost jeho uvolnění závisela na stavu atomů, nesl proto kvantovou informaci o jejich excitovaném stavu. Foton pak proběhl asi sto metrů dlouhým optickým vláknem a na jeho konci byl vyslán do dalšího mraku rubidiových atomů - opět uložených v magnetooptické pasti při extrémně nízké teplotě.
Kvantová informace je křehká
V této pasti vědci kontrolovali stav pomocí laserového paprsku, který však před příchodem fotonu vypnuli. Foton vybudil oblak atomů do určitého stavu. Když vědci zapnuli kontrolní laser, foton se opět uvolnil. Vědci pak z jeho kvantového stavu mohli zjistit informaci o stavu prvního oblaku atomů.
„Když první oblak vyzářil jednotlivý foton, byl ve vybuzeném stavu,“ vysvětluje Thierry Chaneliere z Kuzmichova týmu. „Když pak porovnáváme informaci získanou z druhého oblaku a zjistíme souvislost se stavem prvního, je to doklad o uchování informace nesené fotonem.“
Chaneliere ale upozorňuje, že kvantová informace je velmi křehká a k jejím zničení stačí i malý impuls zvenčí. „V současnosti se zdá, že právě v tom jsou meze pro využití kvantových jevů v datových sítích.“ Přesto chtějí badatelé z Georgia Tech v pokusech pokračovat.
Jejich dalším cílem je vytvoření sítě s několika uzly a zakódování jiné prakticky využitelné informace do fotonů přenášených v této síti.
