Možná už brzy budou i díky českým vědcům počítače rychlejší, internet jiný, přenos našich bankovních příkazů bezpečnější a vůbec náš život s pomocí kvantové fyziky lehčí – aniž bychom jí přitom vůbec museli rozumět…
Traduje se, že když se v roce 1931 potkali v Los Angeles komik Charles Chaplin a fyzik Albert Einstein na premiéře Chaplinova němého filmu Světla velkoměsta, proběhla mezi nimi následující konverzace. Nejdřív vědec zalichotil herci: „Co nejvíce obdivuji na vašem umění, je jeho univerzálnost. Neřeknete ani slovo, a přesto vám svět rozumí.“ Chaplin Einsteinovi pohotově odvětil: „To je pravda. Ale vaše sláva je ještě větší. Celý svět vás obdivuje, ačkoli nerozumí ani slovu z toho, co říkáte.“
Od té doby se moderní fyzika výrazně posunula. Běžná veřejnost sice nadále jen obtížně rozumí tomu, o čem se v ní mluví, ale bez problémů využívá získaných poznatků. Třeba satelitní navigace v našem mobilu pracuje s výpočty podle Einsteinovy speciální teorie relativity. Ta je stará více než století, ale z lidí, kteří řídí auto podle navigace, by ji ještě dnes dokázalo dobře vysvětlit opravdu jen pár.
Nejdokonalejší popis přírody
A když už se točíme kolem Alberta Einsteina, můžeme zmínit, že mimo jiné patřil k průkopníkům oboru zvaného kvantová mechanika, ale později se k němu stal kritickým. Zřejmě mylně. „Kvantová mechanika je podle našich dosavadních poznatků nejdokonalejším popisem přírody, který dnes máme k dispozici,“ zdůrazňuje docent Karel Lemr, fyzik z Univerzity Palackého v Olomouci. Spolu se svými kolegy právě tuto disciplínu používá k poznávání zákonitostí, které mohou už v příštích letech proměnit technologie kolem nás.
V tuto chvíli jde stále ještě o základní výzkum – ten vědcům pomáhá pochopit, jak okolní svět funguje. Takovéto bádání však obvykle nefinancují soukromé firmy, protože není předem jasné, k čemu vědci dospějí a jak přesně získané poznatky nakonec půjdou využít. Základní výzkum tedy všude ve světě financují především státní instituce. V Česku zejména Grantová agentura ČR – jako i v případě výzkumů docenta Lemra a jeho spolupracovníků.
Tito vědci působí ve Společné laboratoři optiky, která je pracovištěm Univerzity Palackého v Olomouci a Fyzikálního ústavu Akademie věd v Praze. Jak název napovídá, při svých výzkumech kvantových jevů využívají světlo, či přesněji jeho částice – fotony. Ty se mohou šířit prostorem například jako zacílený světelný paprsek, anebo třeba putovat optickými vlákny, která bývají ze skleněných nebo plastových materiálů, dají se táhnout pod zemí a signál se v nich šíří na velké vzdálenosti.
Pro potřeby tohoto článku se vyhněme ambiciózní snaze principy kvantové mechaniky podrobně vysvětlovat. Zůstaňme u velmi jednoduchého konstatování, že mechanika je fyzikální obor zabývající se pohybem a kvantová mechanika tento obor začátkem minulého století rozšířila i o pohyb atomů a subatomárních částic, které se chovají podle vlastních zákonitostí. Co je však pro nás podstatné – principy kvantové mechaniky je možné využít například k tomu, abychom měli rychlejší a lepší počítače nebo dokázali přenášet neprolomitelné, bezpečné zprávy.
Fyzikové (zleva) Karel Lemr, Vojtěch Trávníček a Antonín Černoch nad sestavou laserů.
Počítač studený jako vesmír
Máte doma kvantový počítač? Určitě ne. Ale nevadí. Kdybyste jej náhodou chtěli využít pro nějaké odborné, ale třeba i zájmové výpočty, můžete. A dokonce zadarmo. Stačí mít připojení k internetu.
Americká společnost IBM totiž v rámci experimentů provozuje projekty IBM Quantum Composer a IBM Quantum Lab. V nich nabízí vědcům i běžné veřejnosti z celého světa, aby přes internet předložili úkoly, které pak kvantové počítače umístěné v jejich laboratořích provedou. Vědecké projekty sice mají přednost, ale v průběhu několika milionů experimentů, které se už uskutečnily, se dostalo také na jiné náměty, třeba na vývoj počítačových her. Celý systém je totiž plně automatizovaný a i pro úlohy zaslané veřejností představují čekací lhůty na strojový čas jen několik hodin.
Také v Evropě, konkrétně v Německu, už pracuje první komerční kvantový počítač. Provoz zahájil loni v červnu v Ehningenu u Stuttgartu, ovšem je také výrobkem americké IBM. Slouží univerzitám, výzkumným ústavům, ale především průmyslu.
Přitom ještě před desetiletím se v zákulisí fyzikálních konferencí šířil vtip: Když se odborníka zeptáte, za jak dlouho budeme mít funkční kvantový počítač, přesvědčivě odpoví – asi za deset let. A tak to říká už posledních padesát roků…
„Tohle dneska už neplatí, kvantová mechanika udělala v nedávné minulosti obrovský pokrok,“ ujišťuje docent Karel Lemr a nakonec i informace z předchozích řádků tohoto textu to potvrzují. Komerční kvantové počítače tu už jsou. Mají velké výhody, ale také velké nevýhody. Mezi nevýhody například patří fakt, že potřebují pracovat při teplotách blízkých absolutní nule (ta má hodnotu minus 273 stupně Celsia). Takto příšerný mráz se vyskytuje v kosmickém prostoru; na Zemi se dosahuje složitým chlazením například pomocí kapalného helia. V této teplotě některé materiály vedou elektrický proud beze ztráty (tedy jsou supravodivé), což je pro kvantový počítač podstatné. Zlepšení se čeká od vývoje nových materiálů, které budou mít supravodivé vlastnosti i při dosažitelnějších teplotách.
Strojové učení možné
Nicméně výhody už převažují nad nevýhodami. Běžné počítače, ať už ten, který máme doma, anebo superpočítač, který zabírá celou halu, pracují s daty zapsanými ve dvojkové soustavě: nula a jednička. Můžeme si je představit jako nastavení dlouhatánské řady spínačů, z nichž každý může být v poloze dole (a proud jím neprojde), anebo v poloze nahoře (a proud projde).
Kvantový počítač pracuje s částicemi, může to být třeba elektron, foton nebo některý atom. „Řeknu to hodně zjednodušeně. Mám elektron a můžu ho položit na stůl, anebo na podlahu. To jsou dva základní stavy. Kvantová mechanika nám říká, že tento elektron se může nacházet v jakékoli kombinaci obou těchto stavů: může být trochu víc na stole a míň na podlaze, nebo naopak. Vlastně může jít o nekonečné množství kombinací těchto stavů,“ líčí Karel Lemr situaci, které se odborně říká princip superpozice. Díky tomuto principu v sobě částice nesou mnohem víc informací, než může nabídnout klasická dvojková soustava, a kvantový počítač dokáže této výhody využít. Hodí se tedy třeba na teoretické simulace komplikovaných buněčných systémů, výpočty složitého proudění vzduchu kolem křídla letadla a podobně.
Vědci jako Karel Lemr a jeho kolegové však už míří dál. V oboru umělé inteligence je dnes velmi slibným oborem takzvané strojové učení – při něm se počítačové systémy snaží zpracovat velké soubory dat, samy se z nich naučit něčemu novému a přicházet s vlastními řešeními. „V posledních letech se díky podpoře Grantové agentury ČR zabýváme strojovým učením u kvantových počítačů, spolupracujeme při tom i s kolegy z Polska. Už jsme publikovali několik odborných prací na toto téma, třeba v prestižním časopise Physical Review Letters,“ popisuje docent Lemr. „Podařilo se nám prokázat, že kvantový zápis informací do fotonů zrychluje průběh strojového učení, čili že kvantové počítače jsou pro tento obor umělé inteligence velmi vhodné.“
Lasery ve Společné laboratoři optiky Univerzity Palackého a Fyzikálního ústavu Akademie věd.
Neprolomitelná šifra
Šifrování vypadá na první pohled jako záležitost pro špióny, vojáky, případně pro kriminální živly. Ale potřebují jej také diplomaté, obchodníci nebo třeba banky pro předávání příkazů a zpráv mezi nimi a klienty, které nejde zfalšovat.
I tímto výzkumem se docent Lemr se svými kolegy zabývá. Jak by šlo využít kvantovou mechaniku pro bezpečný přenos informací, neboli pro takzvanou kvantovou teleportaci, vědci ve světě zkoumají zhruba od osmdesátých let 20. století. Říká se tomu kvantová kryptografie. Využívají k tomu polarizované fotony, které nesou informaci poté, co projdou odpovídajícím polarizačním filtrem. Anebo, od devadesátých let, se používají také dvojice provázaných fotonů, z nichž první má jednu vlastnost (polarizaci) opačnou než ten druhý. Informace z prvního fotonu z dvojice se použije při zašifrování nějaké zprávy, druhý foton se posílá tomu, kdo zprávu dešifruje. Tímto způsobem vzniká náhodný klíč pro právě vytvářenou šifru. Důležité je, že zprávu nemůže nikdo třetí rozluštit.
„Pokud by takové sdělení bylo napsané třeba na papíře, není problém dát papír do kopírky a vytvořit kopii. A když to bude kvalitní kopírka, nebude kopie rozpoznatelná od originálu, a navíc nikdo ani nemusí vědět, že sdělení bylo okopírováno,“ uvádí příklad Antonín Černoch, z Fyzikálního ústavu Akademie věd. „Ale u fotonů přenášejících kvantovou informaci tohle neplatí. Vlastnosti fotonu nejsme schopni dokonale zkopírovat. Ne proto, že jsme ještě nevyrobili dobrou ,kvantovou kopírku‘, ale proto, že taková vyrobit vůbec nejde; neumožňují to zákony kvantové mechaniky. V komunitě fyziků vycházíme z toho, že pokud něčemu nám známé zákony kvantové mechaniky brání, tak to z principu nejde nijak uskutečnit. Neboli žádnou dokonalou ,kvantovou kopírku‘ nelze vytvořit, a kvantově přenášenou informaci tedy nejde bezchybně zkopírovat.“
Pokud by přesto někdo takovouto informaci „odposlechl“, neboli změřil stav daného fotonu, současně s měřením jej změní a okamžitě se to pozná.
Hledá se kvantový internet
Tímto způsobem se už dnes dopravují zašifrované zprávy například mezi pobočkami bank pomocí optických kabelů na vzdálenosti přesahující stovku kilometrů. Že to zdaleka není konečná hranice, dokázal v létě 2020 čínsko-britský tým, který poslal přes čínskou družici kvantový šifrový klíč pomocí přesně zaměřeného fotonového paprsku na vzdálenost 1200 kilometrů.
Pořád tu však přetrvává podstatný problém. Spojení se zatím uskutečňuje mezi dvěma body. „Aby se mohla kvantová kryptografie více rozšířit a být praktičtější, potřebujeme celou síť, vlastně něco jako je současný internet,“ říká docent Lemr. „A o to se právě fyzikové ve světě i přímo na našem pracovišti snaží.“
V olomoucké laboratoři, rovněž ve spolupráci s kolegy z Polska, tedy nyní zkoumají, jak by šlo nejlépe vytvořit síť sestávající z uzlů, jimiž kvantové signály procházejí a směřují na požadované místo určení. „Přestože je mohou přenášet i jiné částice, jako nejšikovnější se nám jeví jako přenašeče fotony, zřejmě ve speciálních pulzech světla,“ dodává Karel Lemr.
Zatím představili funkční spojení tří bodů, v nichž kterýkoli mohl posílat kvantové informace kterémukoli z obou dalších účastníků. „Takto vznikla naše první komunikační buňka, která umožňuje spojení nejen dvou, ale tří účastníků. To by ještě bylo málo, takže teď pracujeme na tom, jak tyto komunikační trojúhelníky na sebe navázat, aby z nich vznikla robustní síť, v níž mohou různí účastníci mezi sebou zabezpečeně komunikovat,“ líčí Karel Lemr.
Právě komunikační trojúhelníky jsou jedním z dosud chybějících dílů do pomyslné skládačky. Výzkumníci věří, že v kombinaci s tím, jak se daří kvantovou komunikaci uskutečnit mezi čím dál vzdálenějšími účastníky, mohou právě tyto komunikační trojúhelníky vést ke konstrukci globální kvantové komunikační sítě, nástupce dnešního internetu. Výsledky českých vědců publikují přední světová fyzikální periodika, nedávno například časopis Quantum.
Zdroje vysílající fotony jsou od sebe v olomoucké laboratoři vzdáleny jen pár desítek centimetrů. Jde totiž o pokusy, které mají prokázat funkčnost tohoto nového principu. „Samozřejmě předpokládáme, že kvantový internet bude jednou pokrývat území o rozměrech desítek či stovek kilometrů,“ ujišťuje docent Lemr. „Ale někde musíte začít. A to je právě úkol základního výzkumu, který děláme – pochopit možnosti kvantové mechaniky, přijít na to, jaké by mohlo být její využití, a experimentálně je ověřit. V případě kvantové teleportace, tedy bezpečného přenosu informací, jsme to nyní dokázali. Teď už bude na aplikovaném výzkumu, na dalších vědcích a technicích, i na soukromých firmách, aby to dotáhli do praxe. A oni to určitě už dokážou.“
Článek vznikl ve spolupráci Lidových novin a Grantové agentury ČR.
Foto: Univerzita Palackého Olomouc