Quantum

[VitezslavSkorpik]

Vysokorychlostní kvantová komunikace? Nemáte prosím nějaké detaily? Jako teoretického fyzika by mne docela zajímalo co přesně je tím míněno...

Odkaz na video, ktorý som vložil do svojho príspevku je síce po čínsky ale ako teoretickému fyzikovi by ti mohli pomôcť k lepšej predstave o pricípoch experimentov ktoré sa na tejto družici plánujú realizovať.

Díky za upozornění. Všiml jsem si, že je to čínsky, tak mne ani nenapadlo se na to dívat, ale nějaké vizualizace tam jsou. Půjde tedy zřejmě o pokus o kvantovou teleportaci. Pokud se podaří kvantová teleportace mezi družicí a Zemí bylo by to výrazné posunutí našich možností v této oblasti a technologii. Držím tedy Číně palce.

Jen musím dodat, že kvantová teleportace samozřejmě neprobíhá tak jako ze Star Treku, ale na Zemi a na družici musíme připravit stejný kvantový stav částice, který potom přeneseme z družice na Zemi. A původní kvantový stav z družice je tedy zničen. Pochybuji tedy, že se takto někdy budou dát teleportovat makroskopické předměty, ale i tak by nám zvládnutí kvantové teleportace pomohlo, zejména kvůli kvantovým počítačům. Předpokládám, že ty to víš, ale pro ostatní tohle radši dodávám.

[VitezslavSkorpik]

Čo som pochopil bude to prvé uplatnenie kvantovej teleportácie fotónov v praxi resp. experimentálna misia ktorá to má testovať.

Zajímavé, kdyby se to povedlo, bylo by to úžasné. V současnosti je světový rekord v kvantové teleportaci mezi dvěma z Kanárských ostrovů a jedná se o asi 200 km. Tohle by bylo další posunutí možností. Nicméně s tím přenosem informací bych byl trochu opatrný. Já vím, že to asi říkají a píše se to, ale do té máme ještě daleko... V současnosti se spíše testují možnosti, jak ostatně sám píšeš.

Až teraz je mi jasné prečo v tom videu boli spomínané Kanárske ostrovy!

Ano. Mimochodem, ve fyzikální komunitě se mluví o tom, že profesor Anton Zeilinger, který právě za tento experiment z Kanárských ostrovů zodpovídal je jedním ze žhavých kandidátů na některou z příštích Nobelových cen za fyziku. Byl by prvním rakouským fyzikem po poměrně dlouhé době, který by byl takto oceněn. Nakročeno má dobře, už získal Wolfovu cenu za fyziku, druhé nejprestižnější fyzikální ocenění.

[DanHeřt]

Velmi zajímavé, měl bych jednu otázku. Chápu to správně, že se ty částice musí připravit společně, aby byly kvantově provázané? A pokud je to tak, to ty částice připraví na Zemi, půlku naloží do družice a půlku si nechají v laboratoři? Nebo to chápu úplně špatně?

[VitezslavSkorpik]

Velmi zajímavé, měl bych jednu otázku. Chápu to správně, že se ty částice musí připravit společně, aby byly kvantově provázané? A pokud je to tak, to ty částice připraví na Zemi, půlku naloží do družice a půlku si nechají v laboratoři? Nebo to chápu úplně špatně?

Ve skutečnosti je to o něco složitější. Nechtěl jsem s tím zbytečně zatěžovat, ale když je zájem, rád vysvětlím. Představme si pro jednoduchost experiment pouze se dvěma částicemi. Máme tedy dvě částice 1 a 2. A chceme teleportovat informace o částici 1 na částici 2. Potřebujeme ale ještě částici 3, která je kvantově provázána s částicí 2. Částice 1 a 3 necháme na původním místě, částici 2 převezeme na místo kam chceme informace teleportovat.
Když dojde ke kontaktu částic 1 a 3, informace o částici 1 se přenese na částici 3 a díky tomu, že částice 3 je kvantově provázána s částicí 2, přenese se informace rovněž i na částici 2. Částice 2 se stává identickou s částicí 1, jejíž informace je ovšem zničena.

Tedy v případě této družice máme skupinu částic 1 a 2. A další skupinu částic 3. Skupiny částic 2 a 3 jsou kvantově provázány. Skupiny částic 1 a 3 zůstanou na Zemi, skupina 2 bude vynesena na oběžnou dráhu. Potřebujeme aby došlo ke kontaktu částic skupiny jedna se skupinou 3, čímž se informace o částicích ze skupiny jedna přenese na částice ze skupiny 3 a díky kvantové provázanosti i na skupinu 2, tím se částice skupiny 2 stanou identické se skupinou jedna, jejichž informace jsou však zničeny.

Skupiny částic 2 a 3 budou tedy připraveny společně ve stavu kvantové provázanosti. Potom jednu ze skupin částic vezmeme na družici a vyneseme do vesmíru a druhou necháme na Zemi. Třetí část částic máme nezávisle na Zemi a necháme je kontaktovat se skupinou částic které jsme nechali na Zemi. Tím dojde k tomu, že se informace o částicích z nezávislé skupiny částic přenese na skupinu experimentálních částic, které máme na Zemi a díky kvantové provázanosti i na skupinu částic na družici. Informace o částicích na Zemi bude ale zničena.

My dokážeme díky kvantovému provázání přenést stav jedné částice na druhou okamžitě, tedy nadsvětelnou rychlostí. Ovšem nelze takto přenášet žádnou užitečnou informaci, protože rekonstrukci přenášeného kvantového stavu částice lze provést pouze poté co získáme měření stavu na jedné z kvantově propojených částic. Tedy musíme změřit stav částice na Zemi, ten odeslat klasickou cestou (tedy podsvětelně) na družici a teprve poté tam lze zrekonstruovat posílaný kvantový stav. A navíc tento způsob teleportace má poměrně zásadní omezení. Kvantově propojené stavy o nichž jsem mluvil se nazývají Bellovy stavy a existují celkem čtyři. Ale potíž je v tom, že lze současně rozlišit pouze dva z těchto stavů, tedy tento způsob kvantové teleportace má úspěšnost pouze 50%. Jde to vylepšit na 75%, ale s rizikem 25% chyby. Existuje sice způsob jak to obejít, ale tam potřebujeme už provázané stavy více částic nebo složitější ačkoli principiálně možná měření. Další způsob obejití tohoto problému je teleportovat spojité vlnové funkce (matematický popis stavu fyzikálního systému). Ale u běžné kvantové teleportace musíme na jeden kvantový bit informace poslat dva klasické bity (který ze 4 Bellových stavů jsme naměřili), v případě vlnové funkce bychom ale museli klasicky poslat dvě reálná čísla a to s dokonalou přesností.

Jen abych se tedy vrátil k již provedeným experimentům. Poprvé byla kvantová teleportace uskutečněna v roce 1997, kdy došlo k teleportaci fotonů UV záření, v roce 2004 byly teleportovány poprvé celé atomy. Zatím nejúspěšnější byli ale odborníci před čtyřmi roky, kdy číňané teleportovali informace o 100 milionech atomů rubidia na vzdálenost 150 metrů a fotony na vzdálenost 143 km (nikoli 200 jak jsem mylně uváděl výše) mezi Kanárskými ostrovy La Palma a Tenerife. Což dokázal právě tým profesora Zeilingera.

[Samo1995]

Mám 2 otázky:

1)
Dajme tomu, že máme na Marse skupinu častíc (1) previazanú časticami (2) na Zemi. Teraz:
Vyberieme si nejaký časový interval, napr. jedna milisekunda. Teraz príde to kúzlo:
Ak v danom časovom intervale zmení stav skupiny častíc (2). tak sa okamžite zmení aj stav skupiny častíc (1) na Marse. Z toho dostávame logickú jedničku.
A v danom časovom úseku stav nezmeníme, máme logickú nulu.
A otázka je, prečo to nemôže fungovať?

2)
Hrá vzdialenosť medzi dvomi skupinami častíc nejakú rolu? Tzn: je ťažšie teleportovať atómy na 100 km vzdialenosť vs. na 100 000 km vzdialenosť?
Ak teda zanedbáme problém s prevozom častíc.

Snáď je to zrozumiteľné

A Sorry za OT. Keď tak to hoďte do iného vlákna

[Samo]

Čo viem ja vzdialenosť by úlohu v ideálnom stave hrať úlohu nemala ale radšej nech to potvrdí alebo vyvráti Vitezeslav predsa len niesom Fyzik.

[VitezslavSkorpik]

Hrá vzdialenosť medzi dvomi skupinami častíc nejakú rolu? Tzn: je ťažšie teleportovať atómy na 100 km vzdialenosť vs. na 100 000 km vzdialenosť?
Ak teda zanedbáme problém s prevozom častíc.

S dovolením začnu s druhou otázkou. Vzdálenost hraje roli ve dvou faktorech. Ten první jsi správně pojmenoval, totiž problém s převozem částic na větší vzdálenost. Částice na původním místě a na místě kam chceme teleportovat musíme pořád udržovat ve stavu kvantové provázanosti, čili izolované od okolí. Což není úplně triviální, ale dneska se to umí už docela dobře. Což bych demonstroval na tom, že před dvaceti lety se teleportovalo na vzdálenost několika desítek metrů. Poté tým profesora Zeilingera teleportoval z jednoho břehu Dunaje na druhý a považovali jsme to za něco úžasného. Dneska je tedy rekord 143 km, tedy ještě o dva řády delší vzdálenost.

Druhý faktor je potom interpretace výsledku. Jak jsem zmínil výše, je potřeba poslat výsledky měření toho, které z Bellových stavů jsme naměřili na původním místě na místo kde se nachází druhý systém. To znamená v tomto případě ze Země na družici. Nebo u zatím rekordního experimentu z jednoho ostrova na druhý. Tyto informace musíme poslat klasickou cestou, tedy maximálně rychlostí světla. U experimentů na Zemi to v zásadě nehraje roli, rovněž přenos dat ze Země na satelit a zpět trvá krátce. Ale pokud bychom jednou chtěli teleportovat na větší vzdálenosti, kde už bychom na výsledky čekali třeba minuty, už by to mohlo hrát roli.

Ještě bych ovšem zmínil, že kvantová teleportace se zatím rozhodně nepoužívá na teleportaci nějakých předmětů, její využití je hlavně fyzikální. Ověřuje se tak především kvantová provázanost a Bellovy nerovnosti, tedy velmi zjednodušeně to, že kvantová mechanika je v jistém oboru teorií základní teorií přírody a neexistuje žádná jiná vyšší lokální deterministická klasická teorie, jejímž by byla kvantová mechanika limitním příkladem. Kvantová mechanika stále může být limitní situací vyšší klasické deterministické teorie, která by ale musela být nelokální. To znamená, že by se v ní mohly šířit informace rychleji než rychlost světla ve vakuu.
Tolik tedy jen k praktickému využití kvantové teleportace, aby bylo jasné, proč se tyto experimenty dělají.

[VitezslavSkorpik]

Dajme tomu, že máme na Marse skupinu častíc (1) previazanú časticami (2) na Zemi. Teraz:
Vyberieme si nejaký časový interval, napr. jedna milisekunda. Teraz príde to kúzlo:
Ak v danom časovom intervale zmení stav skupiny častíc (2). tak sa okamžite zmení aj stav skupiny častíc (1) na Marse. Z toho dostávame logickú jedničku.
A v danom časovom úseku stav nezmeníme, máme logickú nulu.
A otázka je, prečo to nemôže fungovať?

Dobře tedy, řeknu něco o kvantovém počítání, je to celkem podstatné a snad to pomůže něco objasnit a souvisí to i s výzkumem této sondy, jelikož i pro kvantové počítače je nutná kvantová provázanost.

Vůbec motivací pro výzkum kvantového počítání byl nejprve problém klasických počítačů, které nedokáží simulovat vývoj kvantových systému, protože jejich složitost roste exponenciálně. Z toho usoudil, že kvantový simulátor nebo kvantový počítač musí být rovněž kvantový aby simulaci kvantového systému zvládl.

Brzy se objevily další a další výhody kvantových počítačů, byly vymýšleny algoritmy, které by kvantové počítače zvládly jako například faktorizace obrovských čísel na součin prvočísel nebo zrychlené hledání v nestrukturovaném seznamu.

Co se týče fungování. U klasických počítačů máme jak známo bity, reprezentované 0 a 1. Ovšem u kvantových počítačů máme takzvané qubity, které jsou superpozicí stavů 0 a 1. Superpozice je zvláštní vlastnost kvantových objektů, kdy kvantový objekt v může být laicky řečeno na více místech najednou nebo ve více stavech současně. Tedy qubit může být současně 0 i 1. Qubity se dají reprezentovat různými způsoby, u fotonů třeba polarizací, u elektronů zase spinem. Spin je jakýsi vnitřní moment hybnosti částice, který může v dané soustavě nabývat směr nahoru a dolů. Ve skutečnosti jak jsme si právě řekli ovšem může být foton v superpozici stavů dvou polarizací stejně jako elektron v superpozici dvou spinů. Na velkou výpočetní kapacitu kvantového počítače tak stačí i poměrně malé množství qubitů.

Ovšem pozor, nutná podmínka k dosažení této výpočetní síly kvantového počítače je jeho velmi dobré odizolování od okolního prostředí. V případě jakékoli interakce s okolím nastává takzvaná dekoherence a kolaps superpozicí systému. Abych to ještě více vysvětlil, často se říká, že při provedení měření dochází ke kolapsu kvantového stavu, což je částečně pravda, měření je v tomto smyslu ovšem i interakce atomu s fotonem. My jsme z makroskopického světa zvyklí, že měření neovlivňuje to co měříme, v mikrosvětě jsou ale objekty tak malé, že k ovlivnění samotným aktem měření dochází. Tedy k tomu, abychom měli zachovanou superpozici musíme mít kvantový počítač dokonale izolovaný od okolí. Na to dnes existují velmi pokročilé metody, přesto je zatím rekord kvantový počítač složený z asi 12 qubitů a výpočet nějaké jednoduché sčítání jednociferných čísel. Do budoucna jsou ale kvantové počítače velkou nadějí. A dekoherence znamená to, že kvantový stav přijde o některé své vlastnosti.

A teď se konečně dostávám k tomu, proč to píšu sem. Aby kvantový počítač fungoval, je nutná nejen kvantová superpozice stavů, ale i kvantová provázanost kvantových qubitů v konkrétním počítači. To znamená, že pokud bychom měli kvantový počítač složený dejme tomu z 1000 qubitů, tyto by musely být v superpozici stavů a zároveň kvantově provázané a pro splnění obou podmínek je nutné dokonalé odizolování od okolního prostředí. Pokud nebude jedna z těchto podmínek splněna kvantový počítač nebude fungovat.

A to je v podstatě odpověď na tvou otázku. Dvě částice o nichž mluvíš by sice mohly být kvantově provázané ale nebyly by v superpozici stavů. K tomu abychom skrze ně mohli kvantový výpočet uskutečnit musely by být obě na jednom místě součástí jednoho kvantového počítače. To znamená, že výzkum kvantového provázání na velké vzdálenosti je užitečný i pro kvantové počítače, vyzkouší se metody potřebné pro izolaci stavu, ale přímo kvantové počítání se takto testovat nedá.

Ještě na závěr bych dodal, že reálné kvantové počítače, které budou moci něco užitečného spočítat, budou muset mít těch qubitů tisíce, nejen kvůli složitosti výpočtů, ale i kvůli eliminaci chyb. Na druhou stranu kvantové počítače jsou snad budoucností a mohly by přinést velký průlom, takže je dobré na ně vynakládat finance.

[ptpc]

Družica Quantum by mala štartovať v polovici augusta.

[ptpc]

Družica Quantum je už na kozmodróme JSLC.