Kvantové previazanie – podivnosť kvantového sveta sa stáva technologickou realitou

Aplikácie, alebo, kvantové previazanie ako užitočná vec

Kým klasická informatika operuje s pojmom bit, ktorý nadobúda jednú z dvoch možných hodnôt, kvantové počítače pracujú s qubitom, teda kvantovým bitom. Ide o kvantovomechanický systém, ktorý sa môže nachádzať v superpozícii dvoch rôznych stavov. Predstaviť si môžeme napriklad spiny, o ktorých sme sa pred chvíľou bavili, no aj všeličo iné, napríklad fotóny (častice svetla) s dvomi rôznymi polarizáciami, alebo supratekuté obvody, v ktorých tečie prúd v dvoch možných smeroch.

Informácia v klasickom bite je uložená v jeho hodnote, ktorá je buď 0, alebo 1. Informácia v qubite hovorí v konkrétnej superpozícii sa práve nachádza, teda aké sú pravdepodobnosti možných výsledkov, a táto informácia je bohatšia. Toto vytvára priestor na tzv. superhusté kódovanie (superdense coding), kde sa pomocou jedného quibitu prenášajú 2 klasické bity informácie.

Mnohé praktické problémy klasickej informatiky súvisia s hladaním riešení metódou pokus-omyl. Zložitosť mnohých úloh rastie exponenciálne s ich veľkosťou a tak je nemožné vyskúšať všetky možnosti jednu za druhou. Tým, že sa qubity môžu nachádzať vo viacerých stavoch naraz, ponúkajú kvantové počítače možnosť preverovať paralelne všetky možnosti. Pravdepodobnosť nájsť tú správnu cestu je stále mizivá, aby to fungovalo treba zahrnúť sofistikované algoritmy, vďaka ktorých sa nám správne riešenie ozve samé. Tak či tak, ide o nový postup, ktorý je napríklad schopný zlomiť mnohé z dnes používaných šifrovaní.

Na druhej strane nám dáva kvantové previazanie možnosť nového spôsobu šifrovania, ktoré má jednu unikátnu vlastnosť – vieme povedať, či nás niekto neodpočúva, alebo nie. Protokol BB84 funguje takto: predstavme si, že by si chcela Alica s Bohušom vymeniť šifrovací kľúč pozostávajúci z jednotiek a núl. Spravia to tak, že si rozdelia množstvo previazaných párov, napríklad fotónov. Náhodne niektoré z nich zmerajú vo vertikálnom a niektoré v horizontálnom smere. Následne verejne, čiže tak, že to môže hocikto počuť, vyhlásia, v akých smeroch merali. Tie merania, kde merali obaja rovnako, si nechajú, tie, kde jeden meral horizontálne a druhý vertikálne, zahodia.

Z toho, čo im ostane, použijú časť na to, aby overili, či ich niekto neodpočúval. Podľa toho, ako veľmi si chcú byť istí, toľko výsledok merani vyhlásia. Napríklad ak sa svoj prvý (previazaný) qubit obaja rozhodli merať v horizontálnom smere, vedia, že ak jeden nameral spin hore, druhý musí namerať spin dole. Ak by obaja namerali rovnaký výsledok, znamená to, že ich niekto, napríklad Cyril, odpočúval.

Čím sa Cyril prezradil? Aby niečo zistil o qubite, musel ho zachytiť a zmerať. No ako už bolo povedané, meranie kvantový stav naruší. Aby nič nechýbalo, musí stav poslať ďalej (alebo vyrobiť nový) a niekedy sa tak stalo, že Alica namerala výsledok, ktorý by bez Cyrilovho zásahu nebol možný. Došlo k narušeniu previazania, ktoré si pri porovnávaní časti výsledkov Alica s Bohušom všimnú. Ak sú testovacie dáta v poriadku, môžu veriť tomu, že ani zbytok, ktorý si nechali pre seba,s nikto neodpočúval. Len pre úplnosť dodajme, že je dokázané, že quibity sa nedajú kopírovať a tak si Cyril nemôže spraviť pár do zásoby a ďalej poslať originál.

Ďalšou zo zaujímavých aplikácii kvantového previazania je kvantová tepeportácia. Nejde o teleportáciu tak, ako ju poznáme zo sci-fi filmov, teda okamžitý prenos hmoty na diaľku. Za prvé sa neprenáša hmota, ale informácia a za druhá nie okamžite, ale rýchlosťou svetla. Neprenesiete pomocou nej hrad z Lega, ale viete dosiahnuť, že sa váš hrad rozpadne a z kociek u prijímateľa sa poskladá jeho presná kópia. Presnejšie ide o postup, kedy sa jeden quibit prenesie pomocou dvoch klasických bitov, opak superhustého kódovania. Testovanie limitov kvantovej teleportácie je momentálne veľmi populárne, rekord dosahuje už vyše 140 kilometrov.

Kvantové previazanie pravdepodobne znie prazvláštne, no je len o kúsok podivnejšie, ako zbytok kvantového sveta. Richard Feynman, populárny fyzik a držiteľ Nobelovej ceny za kvantovú elektrodynamiku povedal, že ak niekto tvrdí, že rozumie kvantovej mechanike, tak nerozumie výrazu slova rozumieť. Správanie sveta atómov možno nikdy nebudeme považovať za samozrejmé a intuitívne, no to nám nebráni v tom, aby sme si jeho pravidlá odsledovali a využili vo svoch prospech. Kvantové previazanie, teleportácia a qubity sú tak len niektoré z pojmov, ktoré sa postupne stanú bežnou súčasťou našeho sveta.