Kvantová teleportace v elektronickém čipu

Podivná vlastnost mikrosvěta směřuje k využití v informatice. Když se Albert Einstein před 70 lety pokoušel vysvětlit...


Podivná vlastnost mikrosvěta směřuje k využití v informatice.
Když se Albert Einstein před 70 lety pokoušel vysvětlit svůj odmítavý postoj ke
kvantové mechanice, zformuloval spolu s B. Podolskym a N. Rosenem myšlenkový
experiment, podle prvního písmene příjmení svých autorů označovaný zkratkou
EPR. Tento paradox ukazuje, že kvantová teorie v sobě obsahuje možnost
okamžitého působení na dálku, nekonečně rychlý přenos informace mezi dvěma
místya to podle teorie relativity s jejím omezením na rychlost světla
nepřichází v úvahu. Kvantová mechanika byla od té doby potvrzena nespočtem
věrohodných testů a EPR paradox je dnes nejčastěji označován mediálnějším
výrazem kvantová teleportace. Nejnovější idea, uvažující o teleportaci stavu
elektronu ve vodiči, pak celou záležitost přibližuje praktickému použití v
rodícím se oboru kvantové informatiky.

Co je kvantová teleportace?
Představte si dva fotony, které jsou z jednoho zdroje vyslány do dvou opačných
směrů. Dvojice je ve zvláštním kvantovém stavu, kterému se říká propletený.
Pokud bychom na jednom fotonu naměřili lineární polarizaci ve směru osy x,
druhý bude polarizován ve směru y a naopak, pokud na prvním fotonu naměříme y,
druhý dá x. Problém je, že nevíme, která z těchto alternativ se uskuteční obě
mají stejnou pravděpodobnost 50 %. Ačkoliv známe celkový kvantový stav obou
fotonů, jednotlivé fotony své vlastní stavy nemají.
Oba fotony uletí dlouhou vzdálenost, když se Alice rozhodne změřit polarizaci
prvního z nich. Mezitím se Bob chystá udělat podobný experiment na druhém
fotonu. Před měřením na straně Alice nedokáže nikdo říci, co naměří Bob, ale
pak je náhle všechno jasné: pokud Alice zjistila x, Bob naměří y, pokud Alice
zjistila y, Bob změří x. Tato "informační změna" se udála naráz v celém vesmíru
je tzv. nelokální.

Možnosti využití
Dá se popsané schéma využít třeba k přenášení zpráv? Nedá. Kdyby Alice předem
znala svůj výsledek, mohli bychom o tom jistě uvažovat, ale ona ho nezná.
Kvantová nelokalita koreluje výsledky obou pozorování, ale tato korelace může
být odhalena až poté, co se Alice a Bob nějak spojí běžnými komunikačními
prostředky.
A přece má EPR nelokalita podivuhodné a snad i prakticky využitelné důsledky.
Jak bylo dokázáno už v roce 1993, umožňuje něco, co znají všichni fanoušci Star
Treku teleportaci částic prostorem, "dezintegraci" kapitána Kirka v místě A a
jeho "zhmotnění" v místě B. Přesněji jde o přenos stavu daného souboru
kvantových částic z místa A na jiné částice v místě B, ale právě "stav" je to,
co dělá Kirka Kirkem bez ohledu na identitu jednotlivých částic (která v
kvantové fyzice beztak neexistuje).
Předpokládejme, že teleportovaným stavem bude jeden kvantový bit, tj. libovolná
neznámá superpozice logické nuly a jedničky. Tuto informaci můžeme zapsat např.
do polarizačního stavu jednoho fotonu, označíme ho jako foton A. Nyní vytvoříme
další dva fotony foton B a C ve výše uvažovaném propleteném stavu. Foton B
pošleme Alici, foton C Bobovi. Alice provede měření, ale to se už nebude týkat
jen polarizace fotonu B jako v klasickém EPR experimentu, ale také fotonu A,
jehož stav chce Alice přenést Bobovi. Při vhodné volbě typu měření bude po jeho
uskutečnění propletený foton C na Bobově straně nést informaci nezbytnou k
rekonstrukci stavu fotonu A. K úspěšnému dokončení akce je nutné, aby Alice
sdělila Bobovi výsledek svého měření. Bob podle toho zvolí jednu ze čtyř
možných transformací, po jejímž provedení se foton C ocitne ve stavu fotonu A
(který mezitím "dezintegroval" v měření).

Teleportace v laboratoři...
Experiment podobný výše popsanému byl proveden již v roce 1997. Měření na
straně Alice sice jednoznačně nerozlišilo všechny čtyři možné dvoufotonové
stavy, takže Bob mohl stav fotonu 1 rekonstruovat jen s určitou omezenou
pravděpodobností, nicméně v těch případech, kdy přenos byl úspěšný, k němu
došlo nelokálním způsobem.
Obecné pravidlo pro kvantovou teleportaci je následující: chcete-li stav
odeslaného objektu zrekonstruovat s pravděposobností 100 %, musíte vedle
kvantového kanálu přenášejícího částice v propletených stavech použít také
klasický kanál, po kterém pošlete informaci o výsledku měření. Spokojíte-li se
s omezenou pravděpodobností bezchybného přenosu, obejdete se bez klasického
kanálu a můžete plně využít nelokálních zákonů kvantové mechaniky. Nutno dodat,
že pravděpodobnost bezchybného přenosu v tomto druhém případě velmi rychle
klesá s počtem přenášených kvantových bitů, takže šance, že by z "nadsvětelného
kvantového teleportátoru" vylezl skutečný kapitán Kirk, by byla opravdu zcela
mizivá.

...a v kvantovém počítači
Ptáte se, jak to všechno souvisí s informatikou? Vědci se již několik let
pokoušejí vyrobit kvantový počítač nástroj, který by mohl překonat i ty
nejvýkonnější superpočítače dneška. Kvantový počítač by pracoval s kvantovými
bity nesenými fotony, elektrony, atomovými jádry či celými atomy.
K uskutečnění kvantového výpočtu řádově překračujícího možnosti klasických
výpočetních nástrojů je nutné, aby se jednotlivé částice kvantového počítače
dostávaly do paralelních "superpozic" nul a jedniček a aby docházelo k jejich
vzájemnému proplétání podle zákonů kvantové fyziky. V soustavě kvantových
operací, které toto vše zařizují, má své místo i teleportace, která stav daného
q-bitu (či soustavy q-bitů) přenese z jednoho nosiče na jiný. Vzdálenosti, o
které by v tomto případě šlo, nejsou světelné roky, jako v případě Kirka, ale
snad mikroči nanometry.

Současné objevy
Možná velmi podstatný krok k uskutečnění teleportace v kvantovém počítači se
udál právě v posledních týdnech. V únorovém čísle časopisu Physical Review
Letters byl uveřejněn článek, v němž fyzikové C. W. J. Beenakker a M.
Kindermann z univerzity v Leidenu navrhují zatím jen teoreticky metodu
teleportace spinového stavu elektronu v pevné látce. Spin, jakási vnitřní
"točivost" elektronu, může mít jen dvě kvantové hodnoty, a je tedy vhodným
nosičem jednoho q-bitu informace (o spinotronice podrobněji viz CW 40/2003 v
článku Vývoj v elektronice nabírá nové obrátky).
Již loni leidenští fyzikové ukázali, že v tenké vodivé vrstvě podrobené při
velmi nízké teplotě silnému magnetickému poli lze vytvořit a detekovat
kvantovou provázanost spinů elektronu, prošlého tenkou bariérou mezi dvěma
vodivými oblastmi, a "díry" zbylé po protunelovavším elektronu na druhé straně
bariéry. "Díra" se v podstatě chová jako normální částice, jakýsi
"antielektron", takže může anihilovat s dalším elektronem, prošlým vedlejší
bariérou.
Právě tohoto procesu je využito v nejnovějším návrhu kvantové teleportace.
Druhý elektron, který zaplní volné místo díry, sice jakoby zmizí (přejde z
vodivostního do valenčního pásu, čímž se zastaví jeho pohyb vodičem), ale jeho
stav se věrně přenese na elektron 1 na druhé straně bariéry. Tak jako u
fotonové teleportace platí i zde omezení na účinnost: přenos stavu se zdaří jen
v určitém procentu případů, přičemž nelze dopředu rozhodnout, které to budou.

Máme se nač těšit?
Je pravděpodobné, že skutečná realizace popsaného procesu na sebe nedá příliš
dlouho čekat. Experimentální pokroky v kvantové fyzice pevných látek jsou dnes
velmi rychlé a dá se očekávat, že uskutečnění elektronové teleportace ve
vodivém prostředí se stane velmi prestižním úkolem pro mnoho laboratoří tím
spíš, že prakticky využitelné kvantové počítání má asi největší šanci právě v
implementacích využívajících pevné fáze. Fotony se výborně osvědčují pro
demonstraci kvantových principů, ale skutečná "práce" asi zase (jako u
obyčejných počítačů) zbyde elektronům.
Závěrem ještě dvě poznámky. Za prvé, při kvantové teleportaci nesmí docházet k
množení daného kvantového stavu na více nosičích, zakazuje to tzv. kvantový
no-cloning teorém. Popsaná metoda teleportace je až dramatickou ilustrací
tohoto teorému, protože přenášený stav na straně původního nosiče zaniká v
procesu anihilace elektronu s dírou. A za druhé, co se chudáka kapitána Kirka
týče, teleportace systémů složených z většího počtu částic je sice také
teoreticky možná, ale rekonstrukce stavu v tomto případě vyžaduje předat
klasickou cestou de facto nekonečné množství informace (na rozdíl od dvou
klasických bitů informace v případě teleportace jednoho q-bitu).
Každé nevyhnutelné omezení přesnosti by přitom vedlo k nedokonalostem přenosu.
Kirk, který by vyšel z teleportu, by už zkrátka nebyl tak úplně sám sebou... 4

Informace na webu
Kvantová teleportace v pevné látce: http://focus.aps.org/story/v13/st6
Stránky IBM o kvantové teleportaci:
http://www.research.ibm.com/quantuminfo/teleportation/
Wikipedia o kvantové provázanosti:
http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.