V čínském kosmickém programu nejde vše úplně podle plánu (viz třeba selhání rakety Dlouhý pochod 5 na začátku července), ale jeden z nejdůležitějších letošních cílů se podařilo naplnit prakticky okamžitě. Týmu čínských fyziků se totiž na konci jara podařilo uskutečnit přenos „kvantového signálu“ ze Země na oběžnou dráhu a zase zpět. Úspěch popisuje práce zveřejněná letos v červnu v časopisu Science. Nejde o nějakou fyzikální „podivnost“; tento experiment může mít celou řadu velmi praktických použití. Postup by mohl být využitelný výhledově při tvorbě zcela nové generace počítačů (kvantových počítačů). V dohledné době by mohl velmi prakticky sloužit například pro zabezpečení a ověřování během přenosu dat (tj. například k detekci odposlechu). Což je extrémně zajímavé nejen pro vlády či tajné služby, ale také například finanční instituce – a s nárůstem internetové kriminality samozřejmě i pro řadu dalších uživatelů. Takové využití je zdaleka nejvíce reálné, protože většina komunikace při něm může probíhat běžnými způsobem – kvantových procesů se využívá jen při ověřování pravosti šifrovacích klíčů. Jeden foton pro vás, jeden pro mne Podobné pokusy už na Zemi probíhaly i na zhruba srovnatelné (tj. řádově alespoň stokilometrové) vzdálenosti, ale čínský pokus je první realizací technicky náročného spojení s rychle se pohybujícím satelitem na oběžné dráze. Stejně jako předchozí pokusy, a mnohé z nich čínské, probíhá s pomocí párů dvou tzv. kvantově provázaných částic. To znamená, že tyto částice jsou – a to je jen přirovnání, nikoliv popis reality – „propojeny“. Když jednu z nich změříte, zjistíte, že druhá z nich se zachová, jako by byla součástí jednoho většího systému, byť je fyzicky mohou dělit stovky kilometrů, jako v případě tohoto pokusu. Experimenty probíhají obvykle tak, že jeden foton si vědci nechají na místě (v optickém kabelu), druhý pošlou na cestu k vzdálenému cíli. Cesta je to poměrně zrádná, protože s provázanými fotony se musí zacházet šetrně, a o své „podivné“ vlastnosti snadno přijdou třeba v důsledku srážky s jinou částicí. Také není možné signál jen tak jednoduše zesílit, a v kabelech i při přenosu vzduchem tak velmi rychle slábne. Přesně to je, mimochodem, důvod, proč je krok mimo atmosféru tak zajímavý a důležitý: prstencem kvantových satelitů v téměř dokonalém vakuu na oběžné dráze by přenos provázaných částic byl mnohem méně ztrátový, a tedy jednodušší a účinnější. Je to nejlepší známý způsob, jak kardinální problém se ztrátami během přenosu obejít. V počátcích pokusů zhruba v 70. letech experimenty s tímto jevem začínaly v miniaturních vzdálenostech na laboratorním stole. Vzdálenosti postupně narůstaly, až v roce 2012 poprvé padla hranice stovky kilometrů. Výsledky čínského týmu z nejnovějšího vydání Science popisují přenos na vzdálenost až 1200 kilometrů. Pouť signálu začínala u pozemní laserové stanice k satelitu Mocius (či Mo-c’), který Čína právě pro účely tohoto experimentu vypustila v roce 2016. Jméno dostal podle čínského filozofa z 5. století př. n. l., který psal i o optice. Na palubě družice paprsek vstoupil do speciálního krystalu, který pak vyzářil dvojici kvantově provázaných fotonů (s opačnou polarizací). Fotony pak zamířily směrem k dvěma pozemním stanicím, které leží obě v řídkém vzduchu tibetské náhorní plošiny, aby ztráty v atmosféře byly co nejmenší. Tým úspěšně změřil celkem zhruba tisíc párů, což je samozřejmě jen zlomek z celkového množství provázaných částic, které na satelitu vznikly (podařilo se zachytit jen jeden ze šesti milionů). Navíc systém pracoval jenom v noci, proud slunečních fotonů by vysílání zcela zašuměl. Na praktické využití je tedy evidentně příliš brzy, na druhou stranu to na první pokus vůbec není špatný výsledek. Dá se předpokládat, že pokud princip funguje, jak se zdá, různá technická vylepšení mohou účinnost výrazně zlepšit. (Dnes například neexistují použitelné kvantové „zesilovače“, protože ty běžné narušují provázání částic, ale pracuje se na nich). Čínská priorita V čínském týmu evidentně doufají, že vylepšování bude probíhat poměrně rychle. Časopisu Science řekli, že do pěti let by chtěli vypustit nějaký prakticky využitelný „kvantový“ satelit či satelity. Zatím je však ještě čeká poměrně zajímavý vědecký program i se stávající družicí Mocius. Rádi by do pokusů zapojili i kolegy z Rakouska. To znamená, že by chtěli jednu provázanou částici udržet na palubě satelitu, dokud ten se nedostane na dohled přijímače u našich jižních sousedů. Tým už také podle časopisu Nature provedl pokus o tzv. kvantovou teleportaci, ale prý ještě není připraven zveřejnit výsledky. Rakousko není vybráno náhodou. Šéf čínského týmu Ťien-Wej Pchan (v anglickém přepisu Jian-Wei Pan) dělal doktorát ve Vídni u velké osobnosti kvantové experimentální fyziky Antona Zeilingera. Pak se vrátil do Číny, která mu nabídla skutečně velkorysé podmínky: vše vyvrcholilo „Kvantovým projektem v kosmickém měřítku“ s rozpočtem 100 mil. dolarů, v jehož rámci byl vypuštěn i Mocius. Rakouský a čínský tým se dlouho „přetahovaly“ v rekordních pokusech. Zeilinger s kolegy byli například první, kdo pokořil hranici 100 km. Ale v posledních letech, zdá se, Evropa trochu zaostala. Zeilinger se už několik let pokouší ESA přesvědčit, aby vypustila vlastní kvantový satelit, a i když má poměrně silné slovo (byl například předsedou rakouské obdoby Akademie věd), zatím se mu to nezdařilo a čínští experimentátoři ty evropské výrazně předběhli. To neznamená, že by se výzkum „kvantové komunikace“ mimo Čínu vůbec neprováděl. Malý kvantový satelit chce vypustit Kanada (experiment už má na letadle ověřený systém vysílání kvantového signálu ze Země k satelitu). Singapurští fyzici mají spolupracovat s australskými kolegy na zkoušce kvantové komunikace mezi dvěma satelity. A společný evropsko-americký tým alespoň navrhuje umístění speciálního kvantového zařízení na ISS. Mělo by například ověřovat, zda se podaří kvantové provázání udržet v mikrogravitaci lépe či hůře než na Zemi, tedy zda existuje nějaká souvislost mezi provázáním a gravitací, což je prý pole zatím experimentálně nezorané. Ovšem čínský tým se na podobné experimenty na palubě Mocia chystá také. Zdá se, že Čína udělala „kvantový skok“ vpřed, který se zatím daří podstatně lépe než Velký skok před půlstoletím. Ťien-Wej Pchan to podle BBC řekl ještě jasněji: „Myslím, že jsme zahájili vesmírný kvantový závod.“
