Komentár 33. týždeň: Potvrdí čínsky kvantový satelit hypotézu storočia?

Tento týždeň komentujeme udalosť týždňa - vypustenie čínskeho kvantového komunikačného satelitu "Micius". Pomenovali ho na počesť čínskeho starovekého učenca, ktorý už v roku 500 pred naším letopočtom, realizoval pozoruhodné optické experimenty.

Čínska vesmírna komunikácia a Einsteinov zavrhnutý testament

V pondelok, 15.8.2016, odštartovala z Jiuquan Satellite Launch Center v púšti Gobi na palube nosnej rakety Long March-2D zvláštna telekomunikačná družica QUESS (Quantum Experiments at Space Scale).

Má otestovať, či je možné zostrojiť veľkokapacitnú, principiálne nehacknuteľnú, komunikačnú sieť. Využíva k tomu záhadné vlastnosti kvantových častíc, fotónov: superpozíciu a kvantové previazanie (angl. entanglement).

Satelit bude obiehať zem vo výške cca 600 km. Pokúsi sa preniesť tajnú informáciu na vzdialenosť cca 2 000 km. To je pätnásťkrát viac ako súčasný rekord, ktorý držia európski a americkí vedci.

V spolupráci s Európou chce Čína do roku 2020 vybudovať Euro-Ázijskú kvantovú komunikačnú sieť a do roku 2030 globálnu kvantovú komunikačnú sieť.

Čínsky experimentálny satelit bude testovať možnosť vysielať kvantovo-kódované šifrovacie kľúče na podstatne väčšiu vzdialenosť ako sa podarilo dosiahnuť na povrchu Zeme.

Možno vás to prekvapí, ale kvantová distribúcia šifrovacích kľúčov je na povrchu Zeme komerčne dostupná služba. Je drahá, pomalá, na krátke vzdialenosti, ale neuveriteľne bezpečná.

V súčasnosti existujú minimálne štyri firmy, ktoré Vám kvantovo-kódovanú sieť dodajú na kľúč. Najvýkonnejšia kvantová komunikačná sieť sa momentálne testuje v Japonsku.

Tak prečo chce Čína vybudovať kvantovú sieťovú infraštruktúru na obežnej dráhe? Súvisí to s princípom, na ktorom kvantová komunikácia pracuje.

Predstavme si, že Alica chce poslať Bobovi tajnú správu. Najprv ju zakóduje pomocou šifrovacieho kľúča, čo je postupnosť niekoľko stovák náhodných písmen a číslic.

Potom musí Bobovi nejak tento kľuč doručiť. Od tohto momentu môže Bob prečítať akúkoľvek správu zakódovanú Alicou. A práve doručovanie šifrovacích kľúčov realizujú kvantové komunikačné siete.

Ale prečo používať tak drahé zariadenia, keď už tento problém spoľahlivo riešia súčasné kryptovacie algoritmy využívajúce súkromné a verejné šifrovacie kľúče? Pretože kvantové komunikačné siete sľubujú jednu unikátnu vlastnosť. Alica i Bob vedia zistiť, či ich šifrovací kľúč niekto tretí po ceste neprečítal. Ako je to možné?

ZDROJ | http://www.physics-astronomy.com

Ako som už spomínal, kvantovo-kódovaná komunikácia používa k prenosu informácie najčastejšie fotóny. Vlastne jeho vlastnosti. Napríklad polarizáciu. Pre jednoduchosť predpokladajme, že každý fotón sa môže nachádzať iba v troch stavoch: v stave horizontálnej polarizácie, v stave vertikálnej polarizácie a v stave superpozície.

Každý „čerstvo narodený“ fotón sa nachádza v stave superpozície, t.j. existuje v oboch stavoch: v horizontálnom i vo vertikálnom súčasne.

Ako si to môžeme predstaviť? Zoberte si mincu, postavte ju na hranu a zatočte ju. Bude sa otáčať na hrane. A otáčala by sa donekonečna, keby nebolo trenia vzduchu a povrchu stola.

Čo by ste povedali, v akom stave sa rotujúca minca nachádza: orol alebo panna? Čudná, ale pravdivá odveď by bola: ani v jednom, ani v druhom a predsa v oboch súčasne.

Presne tak je to i s fotónom v stave superpozície. Pokiaľ nezačneme fotón merať, nemáme žiadnu šancu vedieť v akom je stave. Až keď sa o to pokúsime, skolabuje do stabilného stavu: horizontálnej alebo vertikálnej polarizácii. Ako keby sme v jednej chvíli prikryli rotujúcu mincu rukou, odtiahli ju a prečítali čo padlo: panna alebo orol.

ZDROJ | China Daily

Ale čínsky satelit využíva ešte jednu čudnú vlastnosť kvantového sveta: kvantové previazanie. Povedal by som, že je to tá najčudnejšia vlastnosť s akou som sa kedy v živote stretol. Je taká čudná, že jej neveril ani Einstein. O čom teda kvantové previazanie vlastne je?

Predstavte si, že máme laser, ktorý generuje prúd fotónov. Tie potom prechádzajú cez špeciálny kryštál. Náhodným spôsobom sa približne jeden z miliardy rozdelí na dva - kvantovo previazané.

Od tejto chvíle sa budú správať ako „dvojičky“. Nech by boli hoci na opačných stranách vesmíru, všetko budú o sebe vedieť. Okamžite.

Napríklad. Zrútenie jedného previazaného fotónu do horizontálnej polarizácie, spôsobí že druhý koniec sa okamžite naprogramuje na zrútenie do vertikálnej polarizácie. Okamžite.

Akoby pre nich neplatil zákon o maximálnej rýchlosti svetla. Ako je to možné? Predstavte si to tak, že oba previazané fotóny sú vlastne dva „konce“ toho istého kvantového útvaru, ktorý prechádza červou dierou.

Keď jeden koniec skolabuje do stabilného stavu, druhý musí skolabovať do kompatibilného stavu. Inak by porušil zákon zachovania hybnosti. A keďže sú v červej diere, platí pre nich úplne iný časopriestor ako pre nás. Je skrútený do mikroskopických rozmerov.

Červia diera je zatiaľ hypotetický fyzikálny útvar, predpovedaný Einsteinovou teóriou všeobecnej relativity. Akýsi časovo-priestorový tunel, skratka do vzdialených končín vesmíru. V sci-fi literatúre sa červie diery využívajú rutinne.

Ak sa vám už teraz točí hlava z kvantových a relativistických pojmov, ktoré som použil - zvykajte si. Je to nič v porovnaní s tým čo príde v najbližšom čase. Najväčšie fyzikálne kapacity sveta totiž práve horúčkovito preverujú spomínanú hypotézu. Hypotézu storočia:

ER=EPR.

Skratka ER znamená Einstein, Rosen. Tí v roku 1935 popísali fenomén červých dier. Skratka EPR znamená Einstein, Podolsky, Rosen. Tí, v tom istom roku, teoretizovali nad fenoménom kvantového previazania.

Zapamätajte si prosím túto „Einsteinovu“ rovnicu. Bude rovnako významná, ako jeho E=mc2. Je to hypotéza, ktorá tvrdí, že červie diery a kvantové previazanie sú prejavom toho istého prírodného fenoménu.

V prípade že sa to potvrdí, stane sa niečo ohromujúce. Objavíme jednotnú fyzikálnu teóriu všetkého: kvantovú teóriu gravitácie. Táto teória by nám napríklad umožnila niečo nepredstaviteľné: cielene manipulovať s priestorom a časom.

Ale späť ku kvantovej komunikácii. Alica chce zaslať Bobovi šifrovací kľúč pomocou čínskeho satelitu. Ako to urobí? Satelit vyšle na Zem dva previazané fotóny. Oba v stave superpozície.

Jeden zachytí Alica, druhý Bob. Alica najprv „zakóduje“ prvý bit šifrovacieho kľúča do svojho fotónu. V tej chvíli Bobov fotón „vie“, do akého stavu sa zrúti, keď ho bude čítať Bob. Táto procedúra sa opakuje, bit za bitom, pre celý šifrovací kľúč.

ZDROJ | Xinhua

Fajn, ale ako je realizovaná odolnosť voči odpočúvaniu? Predstavme si, že Bobov fotón by zachytila tretia strana - Eva. Samozrejme že by informáciu od Alice prečítala. Presne ako Bob.

Prečítaný fotón však už viac nebude previazaný a ani v stave superpozície. Eva ho viac nemôže v komunikácii využiť. Musí poslať falošný. A ten vnáša do komunikácie štatistickú chybu, ktorú vedia Alica i Bob odhaliť.

A prečo idú Číňania s kvantovou komunikáciou na obežnú dráhu? Z predchádzajúceho textu si viete urobiť predstavu, že kvantová komunikácia je závislá od doručenia každého jednotlivého fotónu.

A hoci je fotón dosť odolný proti „poškodeniu“, ako každá častica, môže sa občas s niečím na svojej ceste zraziť: s elektrónom, s iným fotónom, s atómovým jadrom. Každé takéto „rande“ znamená stratu komunikácie. Presne ako keby ho prečítala Eva.

To významne spomaľuje a predražuje kvantovú komunikáciu. Doteraz sa podarilo preniesť jednotlivý fotón najviac do vzdialenosti tesne pod 150 km. Preniesť jednotlivý fotón na vzdialenosť 2 000 pozemských kilometrov predpokladá použitie poriadne hrubej sily. Napríklad obrovského množstva paralelne vysielaných fotónov z ktorých do cieľa dorazí len malá časť.

Navyše chcú Číňania využiť i fakt, že s nadmorskou výškou klesá počet molekúl atmosférických plynov. Keď teda vystrelíme fotón z dostatočnej výšky nad zemským povrchom, možno stretne na svojej ceste menej prekážok, ako fotón letiaci pár metrov nad Zemou. A to práve ide čínsky satelit overiť a zmerať.

ZDROJ | Inventariando China

Po GPS navigácii, ktorá permanentne testuje správnosť teórie deformácie času, bude kvantová vesmírna komunikácia ďalšia technológia, ktorá v masovom merítku testuje ešte podivnejšie vlastnosti kvantového sveta.

Pre všetkých pochybovačov bude rukolapným dôkazom, že realita je viac čudná než normálna, že k úspechu nás vedie skôr otvorená myseľ než predsudky a že zmena nakoniec prináša viac výhod než skrýva nebezpečenstiev.

Celkom slušný príspevok čínskeho kvantového satelitu, nemyslíte?