Teleportacja kwantowa to proces, podczas którego na dowolną odległość przesyłany jest stan cząstki elementarnej – a nie sama cząstka per se. Fizycznie żaden obiekt nie jest nigdzie przesyłany, a w miejscu docelowym teleportacji odbieramy niejako dokładną kopię cząsteczki. Jak możemy wykorzystać to w zjawisku teleportacji kwantowej? W “Nature” jest dobre opracowanie tego tematu, choć z 2017 r. – od tego czasu trochę się zmieniło.
Czym jest teleportacja kwantowa?
Za pionierów badań nad teleportacją kwantową uważa się fizyków Ashera Peresa i Williama Woottersa, którzy w 1993 r. po raz pierwszy zaproponowali termin “telepereza”. Był on jednak mało “medialny”, a ich współautor – Charles Bennett – zaproponował zmianę na kwantową teleportację.
Proces ten przenosi stan kwantowy jednej cząstki na inną, identyczną cząstkę i jednocześnie wymazuje stan oryginalny. Mimo iż nie dochodzi tu do żadnego przeniesienia obiektu, a jedynie przepisaniu jego stanu kwantowego, to na pozór wygląda tak, jakby transfer w istocie wystąpił. Jeżeli obiekt “znika” w punkcie A, ale jego “obraz” (nie jest to ten sam obiekt) pojawia się w punkcie B, to dla obserwatora może wydawać się, że doszło do jakiejś formy transferu.
W kwantowej teleportacji najciekawsze jest jednak to, że proces działa nawet wtedy, gdy nie wiemy, jaką informację – czyt. stan kwantowy cząstki – przesyłamy. Warto, żeby tak pozostało, bo próba zmierzenia sygnału kwantowego może go zaburzyć i zmienić.
Jako medium teleportacji kwantowej wykorzystywane jest zjawisko splątania kwantowego, które zostało użyte przez Erwina Schrödingera w 1935 roku. Kiedy dwie cząstki są splątane, ich stany kwantowe są współzależne, niezależnie od tego, jak daleko się od siebie znajdują. Cząstki splątane zachowują się nie jak dwa, a jeden obiekt kwantowy, który jest opisywany pojedynczą funkcją falową. Proces splątania nie jest ograniczony prędkością światła.
Zakaz klonowania
Procedura rozpoczyna się od splątania pary cząstek w celu utworzenia tzw. kwantowego kanału transmisyjnego. Wyobraźmy sobie następujący eksperyment myślowy. Mamy dwie cząstki – A, która jest trzymana przez nadawcę i B, która jest wysyłana do odbiorcy. Cząstki są splątane, więc każda operacja wykonana na cząstce A natychmiast odzwierciedla się w stanie cząstki B. Mamy też cząstkę C o nieznanym stanie kwantowym, która ma zostać teleportowana do B. Aby to się udało, trzeba przeprowadzić tzw. pomiar Bella na cząstkach A i C razem wziętych. Nie da on odpowiedzi, w jakim stanie kwantowym jest cząstka C, ale pozwoli na zamianę cząstki B w stan, jaki miała pierwotnie cząstka C (z powodu splątania A i B). Dokonując pomiaru, stan cząstki C zostaje wymazany. Dzięki teleportacji, odbiorca ma pełen pakiet danych, które może wykorzystać do przekształcenia B w postać identyczną z (wymazaną już) cząstką C.
Teleportacja kwantowa jest uważana za nowy sposób przesyłania informacji i w przyszłości może doprowadzić do stworzenia kwantowego internetu. Ale czy oby na pewno jest to zgodne ze szczególną teorią względności Einsteina? Zabrania ona występowania szybszych niż światło oddziaływań przyczynowych – mówiąc wprost: zdarzenie w jednym miejscu nie może wywołać obserwowalnego efektu w innym miejscu, w czasie krótszym niż czas potrzebny na przebycie przez światło drogi między tymi miejscami. Ale teleportacja kwantowa nie działa wbrew tej zasadzie.
Teleportowany stan cząstki nie jest w rzeczywistości kopiowany. Ponieważ podczas teleportacji stan danej cząstki zostaje zniszczony, nie powstaje jej duplikat – to dosłowne “przeniesienie”, ale bez użycia klasycznego kanału komunikacji. W ten sposób nie zostaje złamany tzw. zakaz klonowania (ang. no-cloning theorem), sformułowany i udowodniony przez Williama Woottersa i Wojciecha Żurka oraz niezależnie przez Dennisa Dieksa w 1982 roku. Mówi on, że niemożliwe jest stworzenie kopii dowolnego stanu kwantowego.
Dzięki temu, teleportacja kwantowa może być tak cenna w kryptografii – podsłuchanie czy odczytanie zaszyfrowanej informacji jest niemożliwe, bo nie jest ona przesyłana. To trochę jak z zapamiętaniem danego symbolu narysowanego na kartce, która zostaje zniszczona. Zachowujemy go w pamięci, więc możemy w dowolnym momencie odtworzyć.
Kwantowy internet
Budowa sieci kwantowych jest ambicją wielu mocarstw z całego świata – Departament Obrony Stanów Zjednoczonych (DoD) opublikował w 2020 roku opis strategii, która krok po kroku pozwoli zrealizować marzenia o kwantowym internecie. Eksperci wskazują, że będzie to możliwe jeszcze w tej dekadzie, choć wiele zależy od postępów w innych dziedzinach.
W świecie mechaniki kwantowej, dane mogą być zakodowane pod postacią kubitów, które są przetwarzane przez urządzenia kwantowe (komputery lub procesory) – kwantowy internet polega na przesyłaniu kubitów przez ich sieć. Podstawowe mechanizmy mogą być podobne do standardowego internetu, jednak przesyłanie kubitów przez kanał kwantowy oznacza przenoszenie informacji o stanach kwantowych, a nie dosłowne przenoszenie cząsteczek.
Klasyczny bit koduje dane i w rzeczywistości może występować tylko w jednym z dwóch stanów. Tak, jak telewizor może być włączony lub wyłączony, kot żywy lub martwy, tak bit może mieć wartość 0 lub 1. Z kubitami jest inaczej – mogą się one na siebie nakładać, mogą być jednocześnie 0 i 1. To tak, jakby powiedzieć, że ktoś siedzi na kanapie – to niedoprecyzowanie sprawia, że nie wiemy, czy siedzi bardziej po lewej, czy bardziej po prawej stronie, więc siedzi trochę tu i trochę tu.
Paradoks polega na tym, że próba określenia tego (pomiaru) oznacza przypisanie kubitowi konkretnego stanu. Zmierzony kubit traci swoją “podwójną” naturę i zostaje zdegradowany do 0 lub 1, jak klasyczny bit. Całe to zjawisko nazywa się superpozycją i leży u podstaw mechaniki kwantowej.
Teleportowane stany nie są informacją w sensie teorii informacji Claude’a Shannona, nie są tym bardziej żadną formą notatki biurowej. Czym zatem jest “kwantowa” informacja? Tego, jeszcze nikt nie ustalił. Jest wiele pytań związanych z informacją/stanem kwantowym, który może być splątany/teleportowany. Naukowcy nie wiedzą, czy są to stany uniwersalne dla wszystkich obserwatorów, czy też subiektywne dla każdego z nich. Nie wiemy, czy mówienie o informacji kwantowej już ją kopiuje/kasuje i jest jakąś formą jej transferu, czy też trzeba dokonać bardziej złożonych czynności. Dlatego właśnie kubity nie mogą być używane do przesyłania znanych nam danych, jak pliki komputerowe, zdjęcia czy e-maile.
Kwantowe bezpieczeństwo
Jedną z najbardziej ekscytujących dziedzin, w której może zostać wykorzystane zjawisko teleportacji kwantowej jest bezpieczeństwo. W przypadku klasycznej komunikacji, większość danych jest zabezpieczana poprzez dystrybucję wspólnego klucza do nadawcy i odbiorcy, a następnie użycie tego wspólnego klucza do zaszyfrowania wiadomości. Odbiorca może następnie użyć swojego klucza do odszyfrowania danych na swoim końcu.
Bezpieczeństwo większości dzisiejszych klasycznych metod komunikacji opiera się na algorytmie tworzenia kluczy, który jest trudny do złamania przez hakerów, ale nie niemożliwy. Koncepcja kwantowego szyfrowania jest podstawą rozwijającej się dziedziny cyberbezpieczeństwa zwanej kwantową dystrybucją klucza (QKD).
QKD działa w ten sposób, że jedna z dwóch stron szyfruje fragment klasycznych danych, kodując klucz kryptograficzny na kubitach. Następnie nadawca przesyła te kubity do drugiej osoby, która dokonuje ich pomiaru w celu uzyskania wartości klucza. Pomiar powoduje załamanie stanu kubitów, ale ważna jest wartość, która jest odczytywana podczas procesu pomiaru. Można powiedzieć, że kubit służy tylko do przenoszenia wartości klucza.
W przypadku QKD łatwo można jest stwierdzić, czy osoba trzecia miała wgląd do transmisji, ponieważ intruz spowodowałby załamanie się klucza po prostu patrząc na niego. Jeśli haker spojrzałby na kubity podczas ich przesyłania, automatycznie zmieniłby ich stan. Dlatego właśnie kryptografowie utrzymują, że QKD jest prawdopodobnie najbezpieczniejszą formą szyfrowania danych.
Oto przyszłość właśnie
Teleportacja kwantowa to narzędzie do stworzenia kwantowego internetu. Kwantowy internet z kolei pozwoli na opracowanie kwantowej kryptografii, która sprawi, że nasze dane będą bezpieczniejsze niż kiedykolwiek wcześniej. Jesteśmy coraz bliżej osiągnięcia sukcesu w tej dziedzinie, choć wciąż wiele nam brakuje. Obecny rekord teleportacji kwantowej to 44 kilometry i wierność przesyłu informacji na poziomie 90%. Czy kiedyś będzie możliwe błyskawiczne przesyłanie danych bez jakichkolwiek opóźnień po całym świecie? Nad kwantowym internetem pracuje wiele firm, m.in. IBM, Microsoft, Alibaba, Baidu czy Intel. Ale wszelkie postępy w kategoriach kwantowego internetu nie będą możliwe bez rozwoju prac nad komputerami kwantowymi, które coraz wyraźniej pukają do naszych drzwi.