Kvantumteleportálás

Ahogy a fél világsajtó, úgy mi is megírtuk, hogy megdőlt a teleportálás rekordja. Ez önmagában óriási öröm, hát még az, hányan voltak kíváncsiak erre. De fogadjunk, érteni Önök sem értették. Hát mi sem. Most Diósi Lajos, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont fizikusa segít megérteni, mi folyik a laborok üvegszálas hálózatán.

Az amerikai Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet (NIST) munkatársainak sikerült kvantuminformációt 100 kilométerrel arrébb teleportálni. Ez új rekord, ennél nagyobb távolságot a most használt módszerrel még soha nem sikerült ugrani, a kutatók az eddigi rekordot megnégyszerezték.

Hurrá! És ez miért is jó tulajdonképpen? Azért, mert a kvantumkommunikációnak, ha egyszer képesek leszünk a gyakorlatban is alkalmazni, óriási előnyei lesznek.

A kvantum csendje, a csatorna zaja

A hagyományos kommunikációs csatornák a morzekódtól a mai digitális átvitelig valamilyen ki/be, igen/nem, vagyis 0/1 jelek váltakozásával továbbítanak információt. A kutatók felfedezték, hogy ezeket a 0/1 jeleket egyetlen fotonhoz, vagyis a fény egy részecskéjéhez is hozzá lehet rendelni. Nagyon leegyszerűsítve ez a felfedezés a kvantumkommunikációs technika alapja. Azt már 20-30 éve tudjuk, hogy ennek hihetetlenül nagy előnyei lennének, csak nagyon nehéz megvalósítani.

Az egyik nagy előny a jeltovábbítás újfajta titkosítása, a kvantumkriptográfia, illetve a biztonságosabb hitelesítés aláírások, tanúsítványok esetében. És persze a szupergyors kvantumszámítógép és a kvantuminternet megépítése. Ehhez viszont csak nagyon-nagyon kis lépésekben tudunk közelíteni. A laborokban a részegységek működnek, de a boltban kapható termékektől még nagyon távul vagyunk (kivéve talán a kvantum kriptográfot).

A mostani kísérlet épp a kereskedelmi felhasználás felé tett egy lépést. Sokat segítene ugyanis, ha a kvantuminformációt a már meglévő, bejáratott hálózatokon lehetne továbbítani, mint a most használt üvegszálas optikai hálózat. A csatorna áteresztőkapacitása persze még nagyon alacsony volt, vagyis kevés információ jutott át, de alacsony jeltovábbítási sebességre már alkalmasnak bizonyult a módszer. A gyakorlati alkalmazás még mindig messze van, de már világszerte több laborban dolgoznak azon, hogy egyedi fotonok információját megbízható, kontrollált módon tudjuk továbbítani.

De miért olyan nehéz ez?

Diósi szerint a kvantumrendszerek továbbítása jóval érzékenyebb kérdés, mint a klasszikus rendszerek, például a morze- vagy digitális jelek továbbítása. Ennek az az oka, hogy a rendszer extrém sebezhető a továbbító csatorna zajával szemben, nagyon könnyen instabillá válik és elvész az információ. Ezért kulcskérdés, hogy sikerüljön ezt kivédeni, és a foton által hordozott kvantuminformációt zajmentesen továbbítani.

Teleport és telefon

Itt jön a képbe a teleportáció, amellyel a foton a zaj kikerülésével juthat el a küldőhelytől a fogadóhelyig. A kutatók között a küldőhelyet Alice-nak, a a fogadóhelyet Bobnak szokás becézni, maradjunk most mi is ennél. Alice fotonja bizonyos információt tartalmaz, és Bob szeretné, ha ő is rendelkezne ezzel az információval. Ahelyett azonban, hogy a zajos csatornán átküldenék az érzékeny fotont, inkább a Bobnál lévő fotonban is megjelenítik ugyanazt az információt. Tehát nem az egyedi kvantumrendszert küldik át a két hely között, hanem úgy kommunikálnak egymással, hogy ugyanaz a kvantumrendszer álljon elő a másik oldalon.

Vagyis a teleportáció valójában egy kommunikációs protokoll. 

Ha például Alice megméri a fotonját, és az “0” értéket vesz fel, akkor ő a teleportációs protokollal tudja garantálni, hogy Bob szűz fotonja ugyanezt az értéket vehesse át. (Közben Alice saját fotonjából egyúttal törlődik is az információ, így az már csak Bobnál lesz meg.) Így nincs többé szükség a foton kockázatos utaztatására, a kvantuminformáció akár egy telefonvonalon is továbbítható.

De minek a teleportáláshoz vezeték?

A teleportálással Bob fotonját Alice fotonjának mintájára lehet átalakítani. De ahhoz, hogy ez működhessen, a két fotont először kvantumosan össze kell kapcsolni, ezt hívják kvantum-összefonódásnak. Ez a kapcsolat adja a kvantuminformatika alapját, de olyan titokzatos jelenségről van szó, hogy Einstein is csak kísérteties távolhatásnak nevezte. Elég most annyit tudnunk, hogy ha létrejött, az összefonódott fotonok között mindenféle fizikai távolságot áthidaló, azonnali kapcsolat működik.

Fizikai közelség már az összefonódáshoz sem szükséges, de ebben az első lépésben a zajérzékeny és instabil kvantumkommunikációt még nem lehet megspórolni – vagy ahogy Diósi mondta, nincs ingyen ebéd. Viszont ha ez egyszer már megvan, onnantól használható a stabilabb hagyományos csatorna.

Na de akkor mi maga az információ, amit Alice továbbít Bobnak? Hagyományos 0/1-es alapú információcsere automatizált formában, és valahogy így néz ki:

• Alice az előzőleg létesített kvantum-összefonódást is kihasználva egy speciális mérést végez a saját fotonján.
• A mérés eredményét közli Bobbal.
• Ebből Bob megtudja, hogy a lehetséges transzformációk közül melyiket kell elvégeznie a maga nyersanyagfotonján, hogy előálljon az Alice-nál volt foton hű képe.

A vezeték tehát azért kell, mert a teleportációt ugyan a kvantumos kapcsolat (az összefonódás) teszi lehetővé, de Alice-nak és Bobnak ettől még kommunikálnia kell a hagyományos csatornán, hogy valóban végbe is menjen az adatátvitel. Erre szokták jelképesen azt mondani, hogy 

Alice és Bob telefonon beszélget.

Vissza a jövőbe

A NIST kísérlete laboratóriumi körülmények között zajlott, ezért a zaj még az összefonódás valóban kvantumos folyamatát se zavarta annyira. Olyannyira nem, hogy itt még ha akarták volna, egyúttal magát a teleportálandó információt is egyszerűen átküldhették volna Alice-tól Bobhoz a “telefonálgatás” helyett. De nem akarták, hiszen épp az volt a kísérlet lényege, hogy a teleportációs protokoll működését bizonyítsák vele. Ezzel készülnek arra a gyakorlatibb esetre, amikor szétválik majd az előkészítés (összefonódás) és maga a kommunikáció (teleportáció).

Hogy ezek a gyakorlatban technikailag vagy időben fognak-e szétválni, Diósi szerint még kérdés. A NIST kutatói az összefonódáshoz és a teleportáláshoz is fotonokat használtak, de az is lehetséges, hogy fotonokkal hozzuk létre az összefonódást, a teleportációnál viszont már atomokat alkalmazunk. Ez a forgatókönyv talán még érdekesebb, mert a fotonokkal ellentétben az atomokat meg se próbálhatnánk ilyen távolságokra átküldeni, kizárólag teleportációval képzelhető el a kvantuminformáció átvitele.

Egy másik megközelítés, hogy időben válik el a két szakasz. A NIST-ben még szinte egyszerre zajlott a kettő, de az összefonódás történhet korábban is. Ez piaci szempontból érdekes helyzetet teremtene, ugyanis így lehetővé válna, hogy ha valaki úgy ítéli meg, hogy épp olcsón lehet kvantumkommunikációs csatornához jutni, bevásárolhatna belőle, és nagy mennyiségű összefonódást készíthetne elő. Aztán megvárná, amíg felmegy a direkt továbbítás költsége, és óriási profitot termelhetne azzal, hogy az olcsóbb hagyományos csatornákat használó teleportálást kezdi árulni, amelyhez korábban betárazta az összefonódott rendszereket. Diósi szerint ez futurisztikusabb forgatókönyv, mert az összefonódást nem nagyon tudjuk sokáig fenntartani, de a példa jól érzékelteti, milyen elképesztő tartalékok vannak a kvantuminformatika területén.

Na és mikor lesz nekem ebből internetem?

Nyilván ez a legérdekesebb gyakorlati kérdés, de azért még jó sokáig nem kell kidobni a modemet, Diósi szerint legalább 10-20 évig. Azt is hangsúlyozta, hogy a kérdéssel ma még főleg alapkutató laborok dolgoznak, amelyek célja nem is a fogyasztói termékek fejlesztése, hanem újabb és újabb módszerek kidolgozása, sok kutatási impulzusra van még szükség. Ezért még az se biztos, hogy egyáltalán a most bemutatott módszerből lesz végül valóban internet. Csak egy példa, hogy a kutatók ma még a hagyományos módon bánnak a fotonokkal, de könnyen kiderülhet, hogy az áttöréshez új megközelítésre lesz szükség. Sőt még az sincs teljesen kizárva, hogy végül nem is a fotonok lesznek a kvantuminternet alapjai.

Egy kis kvantumosság

Ha különös bizsergést érez olyan szavak hallatán, mint a szuperpozíció, a kvantumbit vagy dekoherencia, akkor olvassa el korábbi cikkünket is a kvantumszámítógépek fura világáról.

Forrás: index.hu