Experimenty s kvantovým zpracováním informace

Donedávna hrála kvantová mechanika při zpracování informace jen okrajovou úlohu, týkající se především otázek konstrukce polovodičových součástek. Postupně se ale přislo na to, že některé podivuhodné kvantové jevy umožňují realizovat takové způsoby zpracování či přenosu informace, které jsou nemyslitelné v rámci klasické teorie informace. Nejzajímavější potenciální aplikace jsou kvantová kryptografie a kvantové počítače. Kvantová kryptografie umožňuje bezpečnou komunikaci. Pro kvantové počítače existují algoritmy na řešení jistých typů úloh (jako je třeba faktorizace velkých čísel), které jsou mnohem efektivnější, než jakýkoli známý klasický algoritmus pro běžný počítač. Mezi další zajímavé metody kvantového zpracování informace patří třeba teleportace kvantového stavu, kvantové opravné kódy, klonování kvantových stavů apod. Kvantová optika je velmi silným nástrojem jak ke zkoumání fundamentálních ingrediencí kvantové teorie, mezi něž patří například kvantová provázanost neboli entanglement, tak pro konstrukci zařízení pro kvantové zpracování informace. Populárně laděná prezentace o základech kvantové teorie ke stažení ve formátu PDF.

Naše pracoviště se dlouhodobě zabýva experimentálním studiem vlastností provázaných stavů a interference na jednofotonové úrovni a experimentální realizací jednoduchých kvantových operací užitečných pro kvantové zpracování informace. V předchozích letech jsme se mimo jiné věnovali kvantovému kopírování fotonů, ztrátové kvantové kompresi, realizaci tzv. kvantových multimetrů a programovatelného kvantového diskriminátoru nebo přímému měření překryvu dvou polarizačních stavů fotonů. Prezentace ve formátu PDF obsahující stručný přehled některých experimentů s obrázky.

V poslední době jsme na Katedře optiky realizovali některá důležitá kvantová hradla kontrolovaná nebo dokonce programovatelná kvantovým stavem fotonů v programovém registru. S využitím až tří kvantově provázaných fotonů a jejich interference se daří kontrolovaně měnit stav fotonů v datovém registru a posouvat tak hranice moderního zpracování dat.

Kvantová kryptografie a sdílení tajného klíče

Kvantová kryptografie je metoda pro utajený přenos informace, jejíž bezpečnost je garantována fyzikálními zákony, viz podrobnější popis. Na rozdíl od kvantové kryptografie, většina konvenčních šifrovacích metod spoléhá na to, že při použití vhodných matematických algoritmů je dešifrování zprávy výpočetně velice náročné - ne však nemožné. Kvantová kryptografie sice neumí odposlechu zabránit, ale umí ho odhalit. Proto se nepoužívá přímo k přenosu zpráv, ale k přenosu kryptografického klíče. Je-li zjištěn odposlech, klíč se nepoužije a žádná informace neunikne. Je-li klíč přenesen bezpečne, použije se k zašifrování zprávy. Proč umí kvantová kryptografie odposlech odhalit? Protože informace se při přenosu kóduje do tzv. neortogonálních stavů částic - například fotonů. V takovém případě jakékoli měření či interakce s částicí nesoucí informaci její stav obecně podstatně změní. Odposlech přitom není nic jiného než nějaký druh měření. Změny způsobené odposlechem mohou legální uživatelé zjistit. Protože světlo (fotony) se snadno šíří na velké vzdálenosti a málo interaguje se svým okolím, je kvantová optika velmi dobrou základnou pro experimentální realizaci kvantové kryptografie. V současné době je odzkoušeno mnoho experimentálních zařízení pro kvantovou distribuci klíče. Mnohé z nich využívají optických vláken, některé komunikují volným prostorem. Existují již i první komerční produkty. Prezentace o kvantové kryptografii ke stažení ve formátu PDF.

Na našem pracovišti se kvantovou kryptografií zabýváme přibližně od roku 1995. V roce 1998 jsme vybudovali funkční experimentální prototyp zařízení pro kvantovou distribuci klíče a vzájemnou identifikaci s implementovanými všemi podpůrnými procedurami. V současné době jsme zapojeni do rozsáhlého projektu Evropské unie na výzkum a vývoj kvantové kryptografie SECOQC.