matematika
- mobiova smycka
- kvantova teleportace v elektronickem cipu
- ...
kvantova teleportace v elektronickem cipu
co je to kvantova teleportace?
Predstavte si dva fotony, ktere jsou z jednoho zdroje vyslany do dvou opacnych smeru. Dvojice je ve zvlastnim kvantovem stavu, kteremu se rika propleteny. Pokud bychom na jednom fotonu namerili linearni polarizaci ve smeru osy x, druhy bude polarizovan ve smeru y a naopak, pokud na prvnim fotonu namerime y, druhy da x. Problem je, ze nevime, ktera z techto alternativ se uskutecni - obe maji stejnou pravdepodobnost 50%. Ackoliv zname celkovy kvantovy stav obou fotonu, jednotlive fotony sve vlastni stavy nemaji.Oba fotony uleti dlouhou vzdalenost, kdyz se Alice rozhodne zmerit polarizaci prvniho z nich. Mezitim se Bob chysta udelat podobny experiment na druhem fotonu. Pred merenim na strane Alice nedokaze nikdo rici, co nameri Bob, ale pak je nahle vsechno jasne: pokud Alice zjistila x, Bob nameri y, pokud Alice zjistila y, Bob zmeri x. Tato "informacni zmena" se udala naraz v celem vesmiru - je tzv. nelokalni.
moznosti vyuziti
Da se popsane schema vyuzit treba k prenaseni zprav? Neda. Kdyby Alice predem znala svuj vysledek, mohli bychom o tom jiste uvazovat, ale ona ho nezna. Kvantova nelokalita koreluje vysledky obou pozorovani, ale tato korelace muze byt odhalena az pote, co se Alice a Bob nejak spoji beznymi komunikacnimi prostredky.A prece ma EPR nelokalita podivuhodne a snad i prakticky vyuzitelne dusledky. Jak bylo dokazano uz v roce 1993, umoznuje neco, co znaji vsichni fanousci Star Treku - teleportaci castic prostorem, "dezintegraci" kapitana Kirka v miste A a jeho "zhmotneni" v miste B. Presneji jde o prenos stavu daneho souboru kvantovych castic z mista A na jine castice v miste B, ale prave "stav" je to, co dela Kirka Kirkem bez ohledu na identitu jednotlivych castic (ktera v kvantove fyzice beztak neexistuje).
Predpokladejme, ze teleportovanym stavem bude jeden kvantovy bit, tj. libovolna neznama superpozice logicke nuly a jednicky. Tuto informaci muzeme zapsat napr. do polarizacniho stavu jednoho fotonu, oznacime ho jako foton A. Nyni vytvorime dalsi dva fotony - foton B a C - ve vyse uvazovanem propletenem stavu. Foton B posleme Alici, foton C Bobovi. Alice provede mereni, ale to se uz nebude tykat jen polarizace fotonu B, jako v klasickem EPR experimentu, ale take fotonu A, jehoz stav chce Alice prenest Bobovi. Pri vhodne volbe typu mereni bude po jeho uskutecneni propleteny foton C na Bobove strane nest informaci nezbytnou k rekonstrukci stavu fotonu A. K uspesnemu dokonceni akce je nutne, aby Alice sdelila Bobovi vysledek sveho mereni. Bob podle toho zvoli jednu ze ctyr moznych transformaci, po jejimz provedeni se foton C ocitne ve stavu fotonu A (ktery mezitim "dezintegroval" v mereni).
teleportace v laboratori...
Experiment podobny vyse popsanemu byl proveden jiz v roce 1997. Mereni na strane Alice sice jednoznacne nerozlisilo vsechny ctyri mozne dvoufotonove stavy, takze Bob mohl stav fotonu 1 rekonstruovat jen s urcitou omezenou pravdepodobnosti, nicmene v tech pripadech, kdy prenos byl uspesny, k nemu doslo nelokalnim zpusobem. Obecne pravidlo pro kvantovou teleportaci je nasledujici: chcete-li stav odeslaneho objektu zrekonstruovat s pravdeposobnosti 100%, musite vedle kvantoveho kanalu prenasejiciho castice v propletenych stavech pouzit take klasicky kanal, po kterem poslete informaci o vysledku mereni. Spokojite-li se s omezenou pravdepodobnosti bezchybneho prenosu, obejdete se bez klasickeho kanalu a muzete plne vyuzit nelokalnich zakonu kvantove mechaniky. Nutno dodat, ze pravdepodobnost bezchybneho prenosu v tomto druhem pripade velmi rychle klesa s poctem prenasenych kvantovych bitu, takze sance, ze by z "nadsvetelneho kvantoveho teleportatoru" vylezl skutecny kapitan Kirk by byla opravdu zcela miziva....a v kvantovem pocitaci
Ptate se, jak to vsechno souvisi s informatikou? Vedci se jiz nekolik let pokouseji vyrobit kvantovy pocitac - nastroj, ktery by mohl prekonat i ty nejvykonnejsi superpocitace dneska. Kvantovy pocitac by pracoval s kvantovymi bity nesenymi fotony, elektrony, atomovymi jadry, ci celymi atomy.K uskutecneni kvantoveho vypoctu radove prekracujiciho moznosti klasickych vypocetnich nastroju je nutne, aby se jednotlive castice kvantoveho pocitace dostavaly do paralelnich "superpozic" nul a jednicek a aby dochazelo k jejich vzajemnemu propletani podle zakonu kvantove fyziky. V soustave kvantovych operaci, ktere toto vse zarizuji, ma sve misto i teleportace, ktera stav daneho q-bitu (ci soustavy q-bitu) prenese z jednoho nosice na jiny. Vzdalenosti, o ktere by v tomto pripade slo, nejsou svetelne roky, jako v pripade Kirka, ale snad mikro- ci nanometry.
Mozna velmi podstatny krok k uskutecneni teleportace v kvantovem pocitaci se udal prave v poslednich tydnech. V unorovem cisle casopisu Physical Review Letters byl uverejnen clanek, v nemz fyzikove C. W. J. Beenakker a M. Kindermann z univerzity v holandskem Leidenu navrhuji - zatim jen teoreticky - metodu teleportace spinoveho stavu elektronu v pevne latce. Spin, jakasi vnitrni "tocivost" elektronu, muze mit jen dve kvantove hodnoty, a je tedy vhodnym nosicem jednoho q-bitu informace (o spinotronice podrobneji viz CW /2003).
Jiz loni leidensti fyzikove ukazali, ze v tenke vodive vrstve podrobene pri velmi nizke teplote silnemu magnetickemu poli lze vytvorit a detekovat kvantovou provazanost spinu elektronu, prosleho tenkou barierou mezi dvema vodivymi oblastmi, a "diry" zbyle po protunelovavsim elektronu na druhe strane bariery. "Dira" se v podstate chova jako normalni castice, jakysi "antielektron", takze muze anihilovat s dalsim elektronem, proslym vedlejsi barierou.
Prave tohoto procesu je vyuzito v nejnovejsim navrhu kvantove teleportace. Druhy elektron, ktery zaplni volne misto diry, sice jakoby zmizi (prejde z vodivostniho do valencniho pasu, cimz se zastavi jeho pohyb vodicem), ale jeho stav se verne prenese na elektron 1 na druhe strane bariery. Tak jako u fotonove teleportace plati i zde omezeni na ucinnost: prenos stavu se zdari jen v urcitem procentu pripadu (nyni danych pravdepodobnosti protunelovani druheho elektronu vedlejsi barierou), pricemz nelze dopredu rozhodnout, ktere to budou.
mame se nac tesit?
Je pravdepodobne, ze skutecna realizace popsaneho procesu na sebe neda prilis dlouho cekat. Experimentalni pokroky v kvantove fyzice pevnych latek jsou dnes velmi rychle a da se ocekavat, ze uskutecneni elektronove teleportace ve vodivem prostredi se stane velmi prestiznim ukolem pro mnoho laboratori - tim spis, ze prakticky vyuzitelne kvantove pocitani ma asi nejvetsi sanci prave v implementacich vyuzivajicich pevne faze. Fotony se vyborne osvedcuji pro demonstraci kvantovych principu, ale skutecna "prace" asi zase (jako u obycejnych pocitacu) zbyde elektronum.Zaverem jeste dve poznamky. Za prve, pri kvantove teleportaci nesmi dochazet k mnozeni daneho kvantoveho stavu na vice nosicich, zakazuje to tzv. kvantovy no-cloning teorem. Popsana metoda teleportace je az dramatickou ilustraci tohoto teoremu, protoze prenaseny stav na strane puvodniho nosice zanika v procesu anihilace elektronu s dirou. A za druhe, co se chudaka kapitana Kirka tyce, teleportace systemu slozenych z vetsiho poctu castic je sice take teoreticky mozna, ale rekonstrukce stavu v tomto pripade vyzaduje predat klasickou cestou de facto nekonecne mnozstvi informace (na rozdil od dvou klasickych bitu informace v pripade teleportace jednoho q-bitu). Kazde nevyhnutelne omezeni presnosti by pritom vedlo k nedokonalostem prenosu. Kirk, ktery by vysel z teleportu, by uz zkratka nebyl tak uplne sam sebou...
Informace webu
Kvantova teleportace v pevne latce: http://focus.aps.org/story/v13/st6
IBM stranky o kvantove teleportaci: http://www.research.ibm.com/quantuminfo/teleportation/
Wikipedia o kvantove provazanosti: http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement
(original, propleteny par objektu, cteni, poruseny original, poslana data, transformace, teleportovana replika objektu A.)
K vyuziti kvantove teleportace pro prenos informace je treba tri castic. Foton prenasejici informaci nechame interagovat s jednim z dvojice svazanych ("propletenych") fotonu; druhy foton z teto dvojice se pri tom dostane k puvodni informaci.