Už Albert Einstein upozorňoval na „strašidelné působení částic na dálku“. Podle něj mohly být dva miniaturní kousky hmoty určitým způsobem propojeny na libovolně velkou vzdálenost. Cokoliv se přihodí jednomu, stane se i druhému. (Podrobněji text Důkaz ...)

A právě tato provázanost částic je východiskem nedávného experimentu dánských vědců: Eugene Polzik z Institutu Nielse Bohra Kodaňské univerzity společně s kolegy teleportoval světelný paprsek na hmotný objekt - obláček atomů. Zatím na vzdálenost půl metru.

Zdařilý pokus sice neodstartuje přemisťování lidí na jiné planety po vzoru seriálu Star Trek, patrně však bude znamenat přelom v ochraně údajů. To může v situaci, kdy se informace stávají nejcennějším zbožím na světě, zásadně ovlivnit ekonomiku, politiku i obranu řady států.

Propojení Aleny a Boba
Při teleportaci je původní objekt vlastně „oskenován“ a získané informace se okamžitě přenesou na jiné místo. Tam se stanou podkladem pro vznik kopie původního objektu. Ta se neskládá z totožných atomů jako originál, ale z atomů stejného druhu. Původní objekt je nakonec zničen.

A jak probíhá teleportace na úrovni miniaturních částic? Představme si, že má Alena částici X, kterou chce dostat k Bobovi. Oba, Alena i Bob, také zároveň disponují jednou částicí z provázaného páru. I když jsou jeho členové daleko od sebe, funguje mezi nimi „magické pouto“: Změna, která potká jednoho, se projeví zároveň u druhého. (Ještě podivněji patrně působí fakt, že pokus o „změření“ vlastností u jednoho z dvojice, vede k jejich změně - a to u obou členů páru.)

K úspěšné teleportaci tedy postačí, aby Alena převedla vlastnosti částice X na svou provázanou částici. Potřebné informace se tak okamžitě přenesou na Bobovu částici. Ta pak bude totožná s originální Aleninou částicí. Bobova částice také zároveň ztratí informace, které do té doby nesla.

Zrod magického pouta
„Je to další krok vpřed. Poprvé se podařilo provést teleportaci mezi světlem a hmotou, mezi dvěma odlišnými systémy,“ okomentoval Eugene Polzik pro prestižní vědecký časopis Nature před týdnem úspěch svého týmu. Významným způsobem se na něm podílel Ignacio Cirac z Institutu Maxe Plancka pro kvantovou optiku v Garchingu u Mnichova, který již před rokem a půl poskytl teoretická východiska pro experiment.

Tým vědců vedený Polzikem se na dlouhou dobu přesunul k optickému stolu. Deska o rozměrech jeden krát dva metry vyrobená z oceli stojící na speciálních pneumatických nohách poskytovala ochranu před vibracemi. Na ni výzkumníci namontovali jednotlivé přístroje: laser a dále čočky, zrcátka a štěrbiny sloužící k úpravě světelného svazku.

Během experimentu vědci nejprve vytvořili „magické pouto“: světelným paprskem ozářili oblak atomů cesia umístěný ve skleněné krychli o hraně zhruba dva centimetry. Pak pomocí silného magnetického pole „upravili“ vzorek ve skle tak, aby měly atomy stejné vlastnosti. Následně „prohnali“ skrz krychli laserový paprsek a tím provázali atomy cesia s fotony, tedy s částicemi světla. Alena se tak vlastně propojila s Bobem.

Následně vědci využili další laserový paprsek - ten zafungoval jako částice X přenášející informace mezi Alenou a Bobem: jeho prostřednictvím se vlastnosti fotonů promítly do atomů cesia.

Hledání ideální sítě
„Dánští vědci teleportovali stav světla do stavu hmoty, přenesli informace mezi dvěma různými fyzikálními systémy,“ komentuje experiment Jaromír Fiurášek z katedry optiky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci. V minulosti se již podařilo přenést stav jednoho fotonu na jiný a proběhla také teleportace mezi atomy. „Nyní se však povedlo něco zcela nového. Světelný paprsek byl teleportován a tím současně jakoby zastaven a zapsán do atomového obláčku,“ vysvětluje doktor Fiurášek.

Osobně s Eugenem Polzikem spolupracoval před dvěma lety - podílel se na přípravě experimentu, během něhož se podařilo zapsat kvantový stav světla do obláčku atomů. Výsledky v roce 2004 publikoval časopis Nature.

„Vyměňovali jsme si informace e-mailem, několikrát jsem profesora Polzika navštívil v Kodani, setkávali jsme se na vědeckých konferencích,“ vzpomíná Jaromír Fiurášek. Spolupráce pokračuje i nadále v rámci mezinárodního projektu COVAQIAL podporovaného Evropskou unií.

Výsledky výzkumu z roku 2004 pomohly vědcům při přípravě nyní publikovaného pokusu. Protože je světlo nejvhodnějším médiem pro přenos informací a atomový oblak zase optimální pro jejich uchování, může se experiment stát klíčovým krokem na cestě k vývoji kvantových komunikačních sítí.

Spolehlivá šifra zapsaná do miniaturních částic
Internet nebo jiná síť se skládá z jednotlivých uzlů. V nich jsou uloženy informace (například data na pevném disku počítače). Po propojení kabely si počítače mohou vyměňovat informace a komunikovat mezi sebou, popisuje Jaromír Fiurášek fungování internetu.

Podobný systém by však mohl pracovat i na kvantové úrovni: uzly, jakési paměťové bloky, by byly tvořené obláčky atomů. O jejich propojení by se postaral světelný paprsek.

Vědci zatím teleportaci provedli na vzdálenost půl metru, a to hlavně s ohledem na rozměry optického stolu. Podle doktora Fiuráška není vzdálenost, na kterou lze teleportaci provést, v principu omezena: „Světelný paprsek můžeme vést třeba optickým vláknem.“ S jeho pomocí tak například švýcarští vědci v Ženevě přenesli fotony na vzdálenost čtyř kilometrů.

„Výzkum dánských odborníků přispěje k vybudování globální komunikační sítě, která by umožňovala přenášet kvantové stavy a šířit tajný šifrovací klíč,“ domnívá se Jaromír Fiurášek.

Na internetu probíhá celá řada transakcí - běžně komunikujeme s bankami, nakupujeme ve virtuálních obchodech, svěřujeme internetu čísla kreditních karet. Informace, které putují sítí, musí být nějakých způsobem zakódované.

„Bezpečnost dnes využívaných šifer je velmi často založena na předpokladu, že na zvládnutí jistých matematických operací potřebuje počítač velké množství času,“ vysvětluje doktor Fiurášek.

Řada vědeckých týmů se však snaží vytvořit kvantový počítač. Ten by dovedl provádět několik operací souběžně, a proto by našel výsledek řádově mnohem rychleji. Po sestrojení kvantového počítače by se současné šifry staly bezcennými, účinnou ochranu tajných informací by poskytovala jen kvantová kryptografie.

Její téměř stoprocentní spolehlivost je dána fyzikálními zákony a ochrana působí dokonce na dvou frontách: případnému Zvědovi systém kvantové kryptografie maximálně ztěžuje čtení zpráv posílaných mezi Alenou a Bobem. Dalším ochranným prvkem je fakt, že odposlech komunikace mohou její přímí účastníci odhalit. Alena s Bobem si tak včas všimnou, že Zvěd naslouchá, a vysílání ukončí.

Superrychlý počítač v plenkách
Na nejjednodušší úrovni je kvantová kryptografie dotažena ke komerčním aplikacím. Zatím se však zcela nedaří potlačit vliv šumu a ztrát. Šifrování proto funguje na vzdálenost pouze řádově několik desítek kilometrů.

Pokročilé komunikační sítě, které využívají vzájemné působení světla a atomů, jsou stále v zárodcích. „Uvedení do praxe může trvat deset i více let,“ odhaduje Jaromír Fiurášek. Odborníci se nyní snaží prodloužit vzdálenost, na kterou je možné bezpečně komunikovat.

Poměrně futuristický návrh Antona Zeilingera z Vídeňské univerzity například počítá s komunikací pomocí satelitů. Výměna informací mezi dvěma partnery na Zemi, mezi Alenou a Bobem, by tak probíhala prostřednictvím družic nesoucích světelný zdroj.

Ještě delší bude cesta ke kvantovým počítačům. Dosud se podařilo sestrojit zařízení s méně než deseti kvantovými bity. Dnešní počítače naproti tomu pracují s gigabity nebo terabity informací.

„Zatím největším úspěchem kvantového počítače bylo rozložení čísla 15 na prvočinitele, což není právě oslňující výsledek,“ poznamenává doktor Fiurášek. Vážným problémem je podle něj vysoká citlivost zařízení na vlivy okolního prostředí.

Zkonstruování kvantového počítače by však otevřelo netušené možnosti: někteří fyzikové na něj nahlížejí jako na jediné zařízení, které může určitý výpočet provádět zároveň s velkým množstvím čísel. Jiní ho chápou jako velké množství entit, jež se nacházejí v odlišných vesmírech a provádějí jediný výpočet.