Mezisklad pro uložení světla

Mezisklad pro uložení světla

Právě nyní v prestižním vědeckém časopise Nature oznámil mezinárodní tým významný pokrok - sestavili první zařízení pro uchování kvantové informace přenášené světlem. Jedním z autorů principu je olomoucký fyzik Jaromír Fiurášek.

Kvantová fyzika šifruje bankovní transakce

Fyzikové už před několika lety vyvinuli metodu, jak zajistit bezpečnější výměnu informací. Vzniklo tak nové odvětví fyziky, kvantová informatika. Zabývá se například bezpečnou kryptografií (přenosem šifrovaných zpráv), ale zkoumá i možnosti vytvoření kvantového počítače, který by dokázal řešit některé úlohy podstatně rychleji než současné počítače.
Dnes jsme svědky bouřlivého rozvoje tohoto oboru. Co bylo před pár lety teorií na papíře, dostává se už na cestu k zákazníkům: letos v dubnu se uskutečnila první bankovní transakce šifrovaná na principech kvantové fyziky mezi vídeňskou radnicí a nedalekou pobočkou banky Creditanstalt.

Přidaný šum odhalí nežádoucího špióna

K přenosu "kvantových" bitů nejlépe slouží slabé záblesky světla. Na rozdíl od obyčejných bitů mají ty kvantové některé zvláštní vlastnosti. Například podle toho, jakým způsobem se na ně podíváte, chovají se buď jako spořádané nuly a jedničky, nebo jako nesmyslný šum. Aby se dala přečíst rozumná zpráva, musíte vědět, jak daný bit číst - a to může být pokaždé jinak.
Kvantové bity jsou také velice křehké - pokud by si je chtěl někdo potají okopírovat a nenápadně poslat dál, nutně způsobí další šum. To je ta dobrá zpráva - špión bude vždy odhalen. Ta špatná je, že kvantové bity nelze zatím poslat na příliš velkou vzdálenost - absorpce v atmosféře nebo v optických vláknech většinu takových bitů poničí.
Kompenzovat ztráty běžnými zesilovači nejde - ty by vždy přidaly podobný šum jako narušitel. K přenosu bitů na větší vzdálenosti budou zapotřebí jakési relé stanice, které zachycené kvantové bity na chvilku uloží v paměti, zpracují, a očištěné pak pošlou dál. Jak ale přepsat kvantovou informaci nesenou pulsem světla do paměťového registru?

Světelné pulsy píšou do atomů cesia

První experimentální vytvoření takovéto kvantové paměti ohlásila v časopise Nature skupina profesora Eugena Polzika z Institutu Nielse Bohra v Kodani. Jako spoluautor se na této práci výrazně podílel i Jaromír Fiurášek, osmadvacetiletý fyzik z Univerzity Palackého v Olomouci.
Jak funguje kodaňská kvantová paměť? Informace se ukládá do atomů cesia, jehož pára je držena ve skleněných nádobkách o velikosti několika centimetrů. Každý atom se chová jako malinký magnet, který se jako kompasová střelka natáčí ve vnějším magnetickém poli. Na orientaci atomů může však mít vliv i světlo procházející nádobkou. Když se vše správně uspořádá, roztočí se atomové magnetické střelky v závislosti na tom, jakou informaci nesl procházející světelný puls.
Co je nejdůležitější: informace nesená atomy pak může mít kvantový charakter. Podle toho, jak ji přečteme, dostaneme buď smysluplné číslo, nebo jen prázdný šum.

Paměť trvající jenom tisíciny vteřiny

Tohle ale představuje řadu těžkostí. Atomy reagují na sebemenší magnetické pole - je proto třeba je odstínit i od magnetického pole Země. Atomy do sebe také neustále narážejí, a každé takové "drcnutí" může vychýlit atomovou magnetickou střelku ze správného směru.
Paměť atomů pak není na první pohled nijak impozantní - zatím trvá pouhých několik tisícin vteřiny. Pro světlo je to ale dlouhá doba - stihne za ni urazit stovky kilometrů. Navrhovat kvantovou paměť také vyžaduje vést si dokonalé "účetnictví šumů": když světelný puls probíhá médiem a část informace se přepisuje správným směrem, do paměti prosakuje zároveň i šumící nepořádek. Toho je třeba se zbavit.

"Skladiště" ve dvou nádobkách atomů

Nad podobnou problematikou si Jaromír Fiurášek lámal hlavu při svém pobytu na univerzitě v Bruselu. "Jedno z navrhovaných schémat by vyžadovalo světelný zdroj s potlačeným šumem, tak-zvané stlačené světlo, což ale není moc praktické," vysvětluje Fiurášek. "Nejdříve mě napadlo místo toho použít obyčejné laserové světlo, které by třikrát dokola proběhlo atomovým oblakem - tak, aby výsledný šum v součtu vymizel."
To má také své problémy, protože takový puls je několik stovek kilometrů dlouhý - kde ho mezitím uskladnit? Po nějaké době přišel Jaromír Fiurášek s nápadem použít jako elementární paměťovou jednotku dvě nádobky s opačně polarizovanými atomy cesia.
V Kodani schéma ověřili experimentálně, a od letoška tedy svět má fungující kvantovou paměť pro světlo. Nyní vědci zkoumají, jak ji dále využít, tedy jak umožnit efektivní přenos a zpracování uložené kvantové informace.
A čeští fyzikové se na tom budou i nadále podílet. Po několika letech strávených ve světě - v Izraeli, Skotsku a Belgii - se Jaromír Fiurášek, vítěz loňské ceny pro vědce Česká hlava v kategorii Doctorandus, vrátil na Univerzitu Palackého do Olomouce, kde vystudoval. "Z dlouhodobé perspektivy jsem vždy doufal, že budu mít možnost působit v České republice, kde jsem doma. Tým, který působí v Olomouci, je navíc na vynikající úrovni a představuje rovnocenného partnera předním evropským skupinám pracujícím v oboru kvantové optiky a teorie informace," pochvaluje si.
Autor je spolupracovníkem redakce