Kvantové kopírovanie

Všetci to poznáme – CTRL + C (cudzie) a CTRL + V (vlastné). Kopírovanie je bežnou činnosťou, ktorú na jednej strane vykonávame a na strane druhej zakazujeme. Čo nám o kopírovaní hovoria príroda a jej zákony?

Biológia nás učí, že na bunkovej úrovni sa kopíruje ostošesť. Naše DNA sa denne skopíruje viac ako biliónkrát. O kopírovaní v biologickom kontexte – klonovaní – rozmýšľali už starovekí Gréci. Slovo klonovanie pochádza zo starogréckeho slova κλών (čítaj klon), ktoré znamená vetvička alebo halúzka. Klonovanie si Gréci spájali so štepením stromov – procesom, pri ktorom odrezaná vetvička pôvodného stromu dokáže preniesť jeho vlastnosti na ďalšie stromy. Štepenie je tak jedným z najstarších príkladov výroby klonov.

V kontexte kvantovej fyziky sa kopírovanie prvýkrát spomína okolo roku 1970, keď Stephen Wiesner navrhol nekopírovateľné peniaze. Intuitívne boli založené na nemožnosti zmerať vlastnosti kvantového systému bez ich narušenia – kvantovej neurčitosti. Naozaj nevieme kopírovať?

Kde bolo, kde bolo

Príbeh o kvantovom kopírovaní sa začal chybou. V roku 1982 Nick Herbert z neformálnej skupiny Fundamental Fysiks Group, ktorá sa okrem iného venovala aj kvantovému mysticizmu, opísal možnosť komunikácie rýchlejšej než svetlo. Využil pritom kvantové previazanie, okamžitú zmenu vyvolanú aktom merania kvantového systému a mýtický zosilňovač. Hypotetické zariadenie nazval FLASH (First Laser-Amplified Superluminal Hookup).

Recenzentom článku bol izraelský fyzik Asher Peres – neskorší spoluautor článku o kvantovej teleportácii. Herbertovu argumentáciu považoval za tak konceptuálne nesprávnu, že by mala byť publikovaná, aby si komunita fyzikov jasne uvedomila, v čom spočíva jej omyl. Vo svojom inak anonymnom posudku dokázal, že použitá argumentácia by umožnila kopírovanie kvantových stavov, čo je v rozpore so všetkými princípmi kvantového sveta. Napriek tomu článok odporučil zverejniť.

Nemýlil sa. Článok vyvolal rýchlu reakciu. Bill Wootters a Wojciech Zurek spoločne a nezávisle od nich Dennis Dieks vo svojich článkoch vyvrátili nielen Herbertovo tvrdenie o komunikácii nadsvetelnou rýchlosťou, ale aj koncept kopírovania kvantových systémov.

Prísny zákaz kopírovania

Pod mikroskopom nie sú dve kópie vytvorené kopírovacím strojom naozaj totožné. Obsahujú tú istú informáciu, no na mikroskopickej úrovni sa od seba líšia. Dosiahnuť totožnosť kópie s originálom aj na mikroskopickej úrovni je zložité, no nie je to fyzikálne nemožné. To isté platí aj v prípade, keď vytvoríme kópiu súboru v počítači. Jeho fyzikálna reprezentácia na atómovej úrovni nebude nikdy navlas rovnaká.

Na abstraktnej úrovni núl a jednotiek však dokonalá fyzikálna identickosť nie je potrebná a oba súbory sú z informačného hľadiska totožné. Pri výpočtoch sme zvyknutí údaje kopírovať, najmä ako obranu pred chybami logických hradiel a pamäťových jednotiek. Kopírovanie núl a jednotiek – teda informácie – principiálne neodporuje nijakým prírodným zákonom.

Kvantový svet je však iný. Nemožnosť kopírovať vyplýva priamo z matematiky kvantového sveta. Kvantová fyzika kopírovanie zakazuje. Nemožnosť kopírovať kvantové bity v kontexte opravovania procesných chýb neznie veľmi pozitívne. Otázka existencie a praktického nasadenia kvantových opravných kódov bola svojho času legitímnym problémom. Dnes je výzvou dosiahnuť takú úroveň chybovosti hardvéru, ktorá umožní efektívne nasadenie kvantovej opravy chýb.

Autori článku:

Michaela Chovancová
Škola pre mimoriadne nadané deti a gymnázium v Bratislave
Mário Ziman
Fyzikálny ústav SAV, v. v. i., v Bratislave
Ilustrácie: Diana Cencer Garafová
QUTE.sk – Národné centrum pre kvantové technológie